CN112071902A - 一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，属于铁磁材料领域及三代半导体微波毫米波器件领域。该晶体管包括GaN HEMT完整外延结构以及在GaN HEMT完整外延结构上制备的源漏金属、源漏保护SiN介质、一次栅金属磁化膜及二次栅金属；所述的GaN HEMT完整外延结构包括：衬底、成核层及高阻缓冲层、沟道层和势垒层；所述的一次栅金属磁化膜及二次栅金属自下而上共同构成器件的栅极。本发明采用磁化膜作为栅极的一次栅金属，可通过磁化膜的自旋极化耦合，实现对二维电子气的电子自旋方向的调制。同时由于肖特基势垒的作用，可调控沟道内的二维电子气浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管(High ElectronicMobility Transistor,HEMT)，属于铁磁材料领域及三代半导体微波毫米波器件领域。
背景技术
三代半导体GaN器件，具有更大的禁带宽度和更高的工作电压，其在微波毫米波芯片领域具有广阔的应用前景。一般的AlGaN/GaN结构的HEMT器件，由于AlGaN/GaN界面的逆压电效应，使得在GaN沟道存在二维电子气，故器件的栅极形成的肖特基接触势垒，会对沟道二维电子气具有控制作用，即电压控制电流器件。由于栅极电压对沟道电流的调制作用，使得HEMT器件广泛的用于功率放大器、低噪声放大器等有源器件中。传统的高电子迁移率晶体管的调制模式由电压控制电流器件，即栅极电压的改变可控制沟道电流的大小。对沟道中的电子自旋并未控制。
垂直磁化膜或面内磁化膜可以使磁性薄膜内部产生自发磁化，自发磁化方向垂直与膜面或平行于膜面或平行于膜面。垂直磁化膜或面内磁化膜可以通过磁场来控制其内部的自旋电子的方向。由于垂直磁化膜或面内磁化膜的自旋耦合作用，与其相邻的自旋电子也会受到影响，使其自旋方向沿同一方向排列。基于该特性，垂直磁化膜或面内磁化膜广泛的用于磁性存储领域。
传统的HEMT器件是电压调制沟道电流器件，不会调制沟道内部的自旋电子方向，如果采用垂直磁化膜或面内磁化膜作为HEMT器件的肖特基势垒栅极，则由于垂直磁化膜或面内磁化膜的自旋耦合特性，其会对沟道内的自旋电子产生调制作用。同时肖特基势垒也会对沟道内的电子浓度产生调制。故通过具有垂直磁化膜或面内磁化膜的肖特基势垒会同时调制沟道电子浓度及电子自旋方向。因此，开发具有自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，可以建立射频器件与自旋电子的联系，有利于推动多维度微波毫米波器件的发展。
目前，GaN器件采用的栅极金属一般为Ni，Pt等金属，势垒层一般为AlGaN材料。通过溅射或蒸发将栅极金属制备到势垒层表面形成肖特基接触，从而形成电压控制电流的场效应调制。由于传统的GaN HEMT器件应用于射频功率放大器，应用环境不涉及磁场环境，故对栅极金属的磁特性没有深入研究。
综上所述，目前的GaN HEMT器件只实现了电压控制电流的场调制作用，没有建立射频器件与自旋电子的联系。从原理上没有实现栅金属与沟道电子的自旋极化耦合，即栅金属无法同时调控自旋电子的自旋方向和沟道电流。
发明内容
本发明提出了一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，该晶体管采用磁化膜作为栅极的一次栅金属，可通过磁化膜的自旋极化耦合，实现对二维电子气的电子自旋方向的调制。同时由于肖特基势垒的作用，可调控沟道内的二维电子气浓度。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，包括GaN HEMT完整外延结构108以及在GaN HEMT完整外延结构108上制备的源漏金属201、源漏保护SiN介质202、一次栅金属磁化膜603及二次栅金属602；所述的GaN HEMT完整外延结构108包括：衬底101、成核层及高阻缓冲层102、沟道层103和势垒层104；所述的一次栅金属磁化膜603及二次栅金属602自下而上共同构成器件的栅极。
所述衬底101为Si单晶、高纯半绝缘SiC、GaN单晶、金刚石衬底中的任一种。
所述的成核层及高阻缓冲层102为掺铁GaN、掺矾GaN、AlN材料中的一种或多种组成。
所述沟道层103为GaN、InGaN材料中的一种。
所述势垒层104为AlGaN、AlInN、AlN、AlInGaN中的任一种。
所述一次栅金属磁化膜603为垂直磁化膜或面内磁化膜，分别具有垂直磁化特性或面内磁化特性，其自发磁化方向分别垂直于膜面或平行于膜面。
所述一次栅金属磁化膜603采用铁磁材料/金属材料多层膜周期性重复制备而成，重复周期为n。
所述每层铁磁材料/金属材料的厚度在0.2nm～35nm之间，周期n从1至100不等。
所述的一次栅金属磁化膜603中的铁磁材料为CoFeB、NiFe、CoFe、CoNi、CoPt、Fe、Co、Ni铁磁材料中的任意一种或组合。
所述的一次栅金属磁化膜603中的金属材料为W、Ir、Ta、Ti、Pt、Pd、Ru金属材料中的任意一种或组合。
所述的二次栅金属602的金属材料为Au、Al、Ta、Ti、Pt、Pd、Ru、Ni中的一种或组合。
本发明的有益效果如下：
1.采用了垂直磁化膜或面内磁化膜作为栅极金属，该多层膜具有磁化特性。该结构首次将垂直磁化膜或面内磁化膜引入到场效应晶体管中，同时首次将磁场调控引入场效应晶体管中。
2.本发明具有垂直磁化特性或面内磁化特性的栅极金属，由于自旋极化耦合作用，会对沟道内的电子产生自旋极化作用，从而可通过栅极的磁性大小及磁化方向来调制沟道内的二维电子气的电子自旋方向；同时由于肖特基势垒的作用，可调控沟道内的二维电子气浓度。
附图说明
图1在GaN外延层结构示意图。
图2制备源漏金属及生长保护介质截面示意图。
图3光刻栅脚工艺截面示意图。
图4刻蚀栅脚形成介质凹槽示意图。
图5光刻栅帽后示意图。
图6一次栅金属磁化膜蒸发及二次栅金属蒸发并剥离形成肖特基接触截面示意图。
其中：101：衬底；102：成核层及高阻缓冲层；103：沟道层；104：势垒层；105：AlGaN背势垒层；106：AlN插入层；107：GaN帽层；108：GaN HEMT完整外延结构；201：源漏金属；202：源漏保护SiN介质；301：光刻栅脚工艺；302：栅脚图形；401：栅脚刻蚀或湿法腐蚀工艺；402：栅脚凹槽图形；501：光刻栅帽工艺；502：栅帽结构胶型；601：栅金属制备工艺；602：二次栅金属；603：一次栅金属磁化膜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
本发明通过在GaN高电子迁移率晶体管的材料势垒层表面溅射磁化膜作为栅极的一次栅金属磁化膜603。同时该一次栅金属磁化膜603与势垒层104界面实现肖特基接触。由一次栅金属磁化膜603形成的栅极具有垂直磁化特性，会对沟道中电子产生自旋极化耦合；同时由于栅对沟道内的二维电子气具有场效应调制特性，因此该结构对沟道内的二维电子气同时具有自旋极化耦合特性及场效应调制特性，进而可同时实现对沟道电子的自旋方向及沟道电流的调制。
本发明所公布的一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管的结构和制备方法如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示。在SiC衬底上外延生长GaN HEMT完整外延结构108，如图1所示，包括衬底101，成核层及高阻缓冲层102，沟道层103，势垒层104。该势垒层104与GaN沟道103由于逆压电效应会在势垒层104与沟道层103界面处产生二维电子气。其中，衬底101为Si单晶、高纯半绝缘SiC、GaN单晶、金刚石衬底中的任一种。成核层及高阻缓冲层102为掺铁GaN、掺矾GaN、AlN材料中的一种或多种组成。沟道层103为GaN、InGaN材料中的一种。势垒层104为AlGaN、AlInN、AlN、AlInGaN中的任一种。本发明的GaN外延材料结构从下到上大致为衬底101厚度400um至600um、成核层及高阻缓冲层102厚度200nm至2000nm，沟道层103厚度10nm至200nm及势垒层104厚度5nm至50nm，各层的厚度可根据具体器件要求做相应调整。势垒层104为AlGaN材料时，具体Al含量可由器件应用需求决定，如18％至38％均可。此外，GaN外延层针对不同的应用环境可击穿电压、迁移率等特性的要求，可选择性的插入其它层。如在沟道层103与成核层及高阻缓冲层102之间插入AlGaN背势垒层105、在势垒层104内部插入AlN插入层106、在势垒层104表面生长GaN帽层107等。由于本发明的典型外延层包括，衬底101，成核层及高阻缓冲层102，沟道层103，势垒层104，故其他插入层暂不讨论，且选择性结构的制备与否不影响本发明的自旋极化耦合高电子迁移率器件的实施。
进一步地，如图2所示，然后在GaN外延材料上制备源漏金属201并生长源漏保护SiN介质202。在微波毫米波单片集成电路中会涉及其他结构及工艺，如有源区隔离、电阻制备、电容及微带制备等，由于不是本发明涉及的重点，其制备方式及制备顺序本发明不做限定。
进一步地，如图3及图4所示，在表面采用光刻栅脚工艺301形成栅脚图形302，然后采用刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺401刻蚀或腐蚀去除栅脚部分的介质，使栅脚部分形成介质凹槽结构402，刻蚀后进行去胶工艺。凹槽底部露出部分为势垒层104。根据制备的电路为增强型器件或耗尽型器件，选择性的对AlGaN做挖槽，具体器件类型不是本发明的内容，不再赘述。栅脚刻蚀后去胶。
进一步地，如图5中所示，对样片进行光刻栅帽工艺501，形成栅帽结构胶型502，此结构易于进行剥离工艺。进行表面HCL(盐酸)等溶液处理后，通过栅金属制备工艺601制备一次栅金属磁化膜603及二次栅金属602。一次栅金属磁化膜603可为垂直磁化膜或面内磁化膜，分别具有垂直磁化特性或面内磁化特性，其自发磁化方向分别垂直于膜面或平行于膜面。垂直磁化膜或面内磁化膜内的自旋电子会对沟道中二维电子气的电子产生自旋极化耦合。制备一次栅金属磁化膜603一般采用[铁磁材料/金属材料]n多层膜制备而成，n为重复周期。一次栅金属磁化膜603中的铁磁材料为CoFeB、NiFe、CoFe、CoNi、CoPt、Fe、Co、Ni铁磁材料中的任意一种或组合。一次栅金属磁化膜603中的金属材料为W、Ir、Ta、Ti、Pt、Pd、Ru金属材料中的任意一种或组合。
采用铁磁材料CoFeB及金属材料Pt制备的一次栅金属[CoFeB/Pt]n是垂直磁化膜，采用铁磁材料CoFe及金属材料Pt制备的一次栅金属[CoFe/Pt]n是面内磁化膜。本实施例可采用，一次栅金属磁化膜603可为[CoFeB/Pt]n多层膜，为形成肖特基接触，第一层溅射Pt,第二层溅射CoFeB形成一个周期；第三层溅射Pt,第四层溅射CoFeB,形成第二个周期，依次类推，溅射周期n可以选择从1至100不等。其中第一层溅射的为金属Pt，厚度0.8nm，第二层溅射CoFeB厚度1.1nm形成一个周期；第三层溅射Pt,厚度0.8nm，第四层溅射CoFeB厚度1.1nm,形成第二个周期，依次类推，溅射周期n＝8。制备后可选择性采用退火等工艺改变垂直磁化膜或面内磁化膜的饱和磁化强度，矫顽力等。根据器件对栅电阻的要求，可在[CoFeB/Pt]n多层膜上继续溅射或蒸发二次栅金属602，二次栅金属602的金属材料为Au、Al、Ta、Ti、Pt、Pd、Ru、Ni中的一种或组合。例如，二次栅金属602制备可采用电子束蒸发系统制备，金属体系可选择为TiPtAu体系，其中的Au厚度可控制在350nm至850nm。
一次栅金属磁化膜603具有自发磁化特性，会对沟道中二维电子气的电子产生自旋极化耦合；同时由于栅极对AlGaN/GaN沟道内的二维电子气具有场效应调制特性，因此该多层膜栅金属对沟道内的二维电子气同时具有自旋极化耦合特性及场效应调制特性，进而可同时实现对沟道电子的自旋方向及沟道电流的调制。
上述的光刻栅帽和一次栅金属磁化膜603，步骤可以更改，先全片溅射一次栅金属磁化膜603，再光刻栅帽，然后通过蒸发二次栅金属602再进行剥离工艺。二次栅金属602蒸发剥离后，采用离子铣工艺对栅极以外的磁化膜进行去除，只留下栅极部分。栅极形成后进行热处理工艺，增强器件栅极的场效应特性。其他正面工艺及背面工艺与一般的HEMT器件制作方式相同，不是本发明的重点，不再赘述。
栅离子铣后采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气象沉积法)生长SiN介质进行栅钝化，对于单片电路来说需要制备电阻、电容、布线等。此外，正面结束后，需进行晶圆减薄、背孔刻蚀及背金制备等工艺，由于这些工艺普遍较为成熟，且不是本发明的重点，故在此不再详述。
本发明所阐述的实施例是为了更好的解释本发明所表述的一种自旋极化耦合GaN高电子迁移率晶体管及其制备方法。本发明的工艺步骤较为简单，制备工艺GaN微波毫米波芯片生产的工艺技术兼容。
以上附图所述采用一次栅金属磁化膜作为栅极打底层是本发明的重点，体现了本发明的实质性特点和进步。磁化膜可以为垂直磁化膜或面内磁化膜。同时，可根据实际的使用需要对外延材料体系结构进行调整，如可选择性的引入AlN插入层106，AlGaN背势垒层105，等HEMT器件结构。各层的厚度以及AlGaN势垒层的Al含量及厚度可根据实际器件的应用特点进行调整。另外，磁化膜中的的铁磁材料、金属材料种类及厚度均可根据需要调整。还可根据实际情况对介质厚度、栅加厚金属体系的材料选择以及钝化层的材料及厚度等方面进行修改，在此不多赘述。
Claims (10)
1.一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括GaN HEMT完整外延结构(108)以及在GaN HEMT完整外延结构(108)上制备的源漏金属(201)、源漏保护SiN介质(202)、一次栅金属磁化膜(603)及二次栅金属(602)；所述的GaN HEMT完整外延结构(108)包括：衬底(101)、成核层及高阻缓冲层(102)、沟道层(103)和势垒层(104)；所述的一次栅金属磁化膜(603)及二次栅金属(602)自下而上共同构成器件的栅极。
2.根据权利要求1所述的一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述衬底(101)为Si单晶、高纯半绝缘SiC、GaN单晶、金刚石衬底中的任一种。
3.根据权利要求1所述的一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述的成核层及高阻缓冲层(102)为掺铁GaN、掺矾GaN、AlN材料中的一种或多种组成。
4.根据权利要求1所述的一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述沟道层(103)为GaN、InGaN材料中的一种。
5.根根据权利要求1所述的一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述势垒层(104)为AlGaN、AlInN、AlN、AlInGaN中的任一种。
6.根据权利要求1所述的一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述一次栅金属磁化膜(603)为垂直磁化膜或面内磁化膜，分别具有垂直磁化特性或面内磁化特性，其自发磁化方向分别垂直于膜面或平行于膜面。
7.根据权利要求6所述的一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述一次栅金属磁化膜(603)采用铁磁材料/金属材料多层膜周期性重复制备而成，重复周期为n；所述每层铁磁材料/金属材料的厚度在0.2nm～35nm之间，周期n从1至100不等。
8.根据权利要求7所述的一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述的一次栅金属磁化膜(603)中的铁磁材料为CoFeB、NiFe、CoFe、CoNi、CoPt、Fe、Co、Ni铁磁材料中的任意一种或组合。
9.根据权利要求8所述的一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述的一次栅金属磁化膜(603)中的金属材料为W、Ir、Ta、Ti、Pt、Pd、Ru金属材料中的任意一种或组合。
10.根据权利要求1所述的一种自旋极化耦合的GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述的二次栅金属(602)的金属材料为Au、Al、Ta、Ti、Pt、Pd、Ru、Ni中的一种或组合。
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