[发明专利]量子阱HEMT器件及其制备方法和二维电子气分布方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件技术，具体是指一种优化型AlN/GaN/AlN量子阱HEMT器件及其制备方法和优化该器件二维电子气分布的方法。

背景技术

由于III族氮化物材料体系具有宽带隙、高击穿电场和强极化作用等诸多优良特性，基于Al(In)GaN/(In)GaN的高电子迁移率晶体管(HEMT)可以满足高温、高频、高功率的应用需求，使其受到科学界的广泛关注。为了提高器件的性能，人们提出了各种类型的III族氮化物HEMT结构，其中研究最为广泛、技术最为成熟的就是AlGaN/GaN HEMT。随着材料生长质量的不断提高，器件制作工艺的不断完善，AlGaN/GaN HEMT器件性能取得了长足进步。输出功率密度大于2A/mm、跨导大于500mS/mm、截止频率和最高振荡频率大于100GHz、输出功率密度大于30W/mm的器件已相继问世。为了追求更高的工作速度，AlGaN/GaN HEMT的栅极长度(L_g)需要不断缩短，为了抑制L_g缩短引起的短沟道效应，AlGaN势垒层的厚度(t_bar)也必须随之减小，以保持器件较高的纵横比(L_g/t_bar)，但t_bar减小又会导致二维电子气(2DEG)浓度下降和沟道导通电阻增加。

AlN/GaN HEMT的提出很好地解决了上述矛盾，这是因为AlN比低铝组份的AlGaN材料具有更强的极化效应，较小厚度的AlN势垒层可以在AlN/GaN界面诱导出更高浓度的二维电子气。随后，为了进一步改善器件的高频特性，Dabrian等人提出了AlN/GaN/AlN量子阱HEMT结构，利用量子阱的强束缚能力抑制电子从沟道溢出，从而有效地降低了电流坍塌效应，见A.M.Dabiran,A.M.Wowchak,A.Osinsky,et al.,Applied Physics Letters,Vol.93,082111,2008。该器件由于GaN沟道层和AlN下势垒层界面处负的极化电荷对二维电子气具有明显耗尽作用，为了抵消这种耗尽作用，必须对GaN沟道层的下半部分进行选择性施主掺杂，但过度掺杂会在主沟道附近形成寄生沟道，严重影响器件性能。

因此，通过控制选择性施主掺杂浓度来优化二维电子气分布显得尤为重要。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种量子阱HEMT器件、其制备方法及优化该器件二维电子气分布的方法，从AlN/GaN/AlN量子阱HEMT二维电子气的纵向分布着手研究，考察选择性施主掺杂浓度对二维电子气分布的影响，通过数值模拟得到二维电子气分布随选择性施主掺杂浓度变化的规律，得到最佳选择性掺杂浓度。进而根据优化后的结果设计并制作了AlN/GaN/AlN量子阱HEMT器件，对新型器件的研制具有一定的指导意义。为了尽可能增强主沟道导电能力，抑制寄生电导，我们定义主沟道浓度峰值与寄生沟道浓度峰值之差为沟道优值因子，根据沟道优值因子随选择性施主掺杂浓度变化的规律优化器件性能。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方法如下：

一种量子阱HEMT器件，包括在AlN单晶衬底上依次形成的AlN下势垒层、GaN沟道层、AlN上势垒层和Al₂O₃栅介质层，在AlN上势垒层上形成源、漏电极，在Al₂O₃栅介质层上形成栅电极，所述GaN沟道层的下半部分采用Si离子进行选择性施主掺杂，而上半部分保持本征状态，所述GaN沟道层下半部分的选择性施主掺杂浓度控制在(6.8±0.05)×10¹⁸cm^-3。

一种量子阱HEMT器件的制备方法，包括步骤如下：

1）在金属有机化学气相沉积系统中，首先在AlN单晶衬底上生长AlN下势垒层，紧接着采用原位掺杂工艺生长一定厚度的Si离子掺杂浓度为(6.8±0.05)×10¹⁸cm^-3的GaN层，作为沟道层的下半部分，然后再生长相同厚度的本征GaN层，作为沟道层的上半部分，之后继续生长AlN上势垒层；

2）在AlN上势垒层上，利用原子层沉积工艺淀积Al₂O₃栅介质层，然后通过光刻工艺在源、漏极区域形成刻蚀所需的窗口，采用HF湿法刻蚀工艺去除源、漏极区域的Al₂O₃介质薄膜；