[发明专利]横向过生长一维电子气GaN基HEMT器件及制备方法

说明书

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“Quantized conductance 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 ion beam 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 AlGaAs buffer layers”，K.Eberl，Applied Physics Letters，Volume63，Number8，August1993。