[发明专利]GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管材料及方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管（PHEMT）材料的外延结构及生长方法，属于含有超晶格沟道层PHEMT外延生长技术领域。

背景技术

目前，赝配高电子迁移晶体管（PHEMT），主要生长在GaAs衬底上。GaAs PHEMT均采用InGaAs作为沟道层。 GaAs PHEMT中沟道In组分在20%左右。传统PHEMT生长主要两种方式：单异质结和双异质结。单异质结主要结构为直接在沟道上生长势垒层，将二维电子气限制在沟道与势垒界面处的三角势阱中。双异质结的主要结构是在生长沟道前先生长势垒层，生长沟道层后再生长另一层势垒层，这样由于沟道层禁带宽度小，能够在沟道层内形成方势阱。双异质结与单异质结相比具有如下优点：1）方势阱的引入容易提高了二维电子气的浓度和迁移率。2）方势阱更容易将电子束缚在势阱中，增强了电子限制效应，有效的降低器件的噪声。 3）由于势垒与衬底晶格匹配，沟道中In含量可适度提高。但是，为了进一步提高沟道内二维电子气的浓度和迁移率需要不断的增加沟道中In的含量，当In含量足够大时沟道与势垒及衬底之间存在较大的晶格失配，晶格失配的产生有如下影响：1）在沟道内部产生失配位错。2）失配位错的产生增加了对二维电子气的散射，使二维电子气迁移率降低。3）失配位错的产生，引起器件漏电。为了降低失配位错，减小沟道层厚度是有效的方法，但是沟道层的厚度不能无限减小，因此必须在In含量与沟道层厚度之间折中考虑。

发明内容

本发明提出的是一种GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管（PHEMT）材料的外延结构及生长方法，其目的旨在针对 GaAs PHEMT内沟道In组分过大引起失配位错、以及增强沟道内二维电子气限制效应，在势垒层 上生长宽禁带AlGaAs与InGaAs形成超短周期超晶格，这种超晶格属于混合结构，能够实现带隙的平滑过渡。因为AlGaAs与GaAs衬底晶格匹配，生长过程中不断增加超晶格中In含量，由于超晶格中InGaAs厚度极薄，能够有效缓解应力影响，同时能够显著提高三角势阱底InGaAs中In含量。通过超晶格结构形成，在不引入位错的情况下，可最大限度的增加InGaAs沟道中In含量，提高二维电子气的浓度和迁移率。本发明不仅可以生长高In组分的单晶薄膜，还可以在其上继续生长各种单晶材料及器件结构（如发光二极管、探测器、激光器、晶体管等）。所涉及的薄膜外延方法可以利用MOCVD（金属有机物化学汽相沉积）、MBE（分子束外延）、UHVCVD（超高真空化学汽相沉积）等外延生长技术实现。

本发明的技术解决方案是：GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管半导体材料的外延结构，其结构包括半绝缘GaAs衬底上（1）、GaAs缓冲层（2）、第一AlGaAs势垒层（3）、第一平面掺杂层（4）、第一隔离层（5）、沟道层（6）、第二隔离层（7）、第二平面掺杂层（8）、第二势垒层（9）、接触层（10），其中半绝缘GaAs衬底上（1）上是GaAs缓冲层（2）；在缓冲层（2）上是A势垒层（3）；第一AlGaAs势垒层（3）上是第一平面掺杂层（4）；第一平面掺杂层（4）上是第一隔离层（5）；第一隔离层（5）上是沟道层（6）；沟道层（6）上是第二隔离层（7）；第二隔离层（7）上是第二平面掺杂层（8）；第二平面掺杂层（8）上是第二势垒层（9）；第二势垒层（9）上是接触层（10）。

GaAs衬底上生长赝配高电子迁移晶体管半导体材料的方法，

1）在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层（2）；

2）在GaAs缓冲层（2）上生长第一AlGaAs势垒层（3）；

3）在第一AlGaAs势垒层（3）上生长第一平面掺杂层（4）；

4）在第一平面掺杂层（4）上生长第一AlGaAs隔离层（5）；

5）在第一AlGaAs隔离层（5）上生长沟道层（6）；

6）在InGaAs沟道（6）上生长第二隔离层（7）；

7）在第二隔离层（7）上生长第二平面掺杂层（8）；

8）在第二平面掺杂层（8）上生长第二势垒层（9）；

9）在第二AlGaAs势垒层（9）上生长GaAs高掺杂接触层（10）。

本发明具有以下优点：1）由于在势阱生长过程中采用交替生长超晶格结构，消除了应变弛豫，可以增加势阱中InGaAs势阱中In的组分。2）In组分增加能够明显增加势阱中二维电子气限制效应。3） In含量的增加直接增加了PHEMT材料迁移率。

附图说明