[发明专利]一种优化量子阱HEMT器件沟道层厚度的方法

摘要

本发明公开了一种优化AlN/GaN/AlN量子阱HEMT器件沟道层厚度的方法，该方法是通过器件模拟发现在材料生长过程中将GaN沟道层的厚度控制在15～22nm之间可以很好地改善器件性能，并且根据所得结果制作了AlN/GaN/AlN量子阱HEMT器件，进而为优化AlN/GaN/AlN量子阱HEMT器件提供了依据。本发明对于改善器件性能和优化器件设计都有着十分重要的意义。

主权项

一种优化量子阱HEMT器件沟道层厚度的方法，其特征在于包括以下步骤：1)首先构建AlN/GaN/AlN量子阱HEMT器件的结构模型，即在AlN单晶衬底上依次形成AlN缓冲层、GaN沟道层、AlN势垒层和Al2O3栅介质层，然后在AlN势垒层上形成源、漏电极，以及在Al2O3栅介质层上形成栅电极；2)制作三个实验测量样品，样品1：在500μm厚的AlN单晶衬底上生长1μm厚的AlN薄膜；样品2：在500μm厚的AlN单晶衬底上生长50nm厚的GaN薄膜；样品3：在500μm厚的AlN单晶衬底上依次生长1μm厚的AlN缓冲层、50nm厚的GaN沟道层、3.5nm厚的AlN势垒层和5nm厚的Al2O3栅介质层；3)测量步骤2)中所得样品1得到AlN的性能参数：禁带宽度为6.2eV，电子有效质量me＝0.3m0，电子迁移率为300～500cm2/Vs，相对介电常数εr＝8.5，有效导带态密度为Nc＝4.1×1018，电子寿命约为10‑9s，电子饱和速度vsat＝4.8×106cm/s；测量样品2得到GaN的性能参数：禁带宽度为3.47eV，电子有效质量me＝0.222m0，电子迁移率为1300～1500cm2/Vs，相对介电常数εr＝9.5，有效导带态密度为Nc＝2.65×1018，电子寿命约为10‑8s，电子饱和速度vsat＝1.03×107cm/s；用电容电压法测量样品3得到：Al2O3栅介质层与AlN势垒层界面处的极化电荷密度为‑1.6×1013cm‑2，AlN势垒层与GaN沟道层界面处的极化电荷密度为2.6×1013cm‑2，GaN沟道层与AlN缓冲层界面处的极化电荷密度为‑2.6×1013cm‑2；4)构建物理模型：半导体器件数值模拟的基本方程是泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子与空穴的电流密度方程，载流子复合通过产生复合项 加入连续性方程，包括SRH复合、Auger复合和辐射复合，同时还要考虑到载流子的热效应、速度饱和效应，用有限元方法离散化联立迭代求解，势垒的隧穿效应为独立方程，与上述方程自洽求解；5)根据步骤2)的实验测量结果设置物理参数，使模拟环境温度为300K，固定沟道层厚度，由数值模拟分别得到导带势垒高度和二维电子气密度随纵向位置变化的曲线；6)改变沟道层厚度，重复步骤5)，分别得到不同沟道层厚度下导带势垒高度和二维电子气密度随纵向位置变化的一系列曲线；7)在步骤6)中得到的不同沟道层厚度下导带势垒高度随纵向位置变化的一系列曲线中，选取一个固定位置，比如沟道层中距离AlN势垒层和GaN沟道层界面5nm处，得到该位置处的导带势垒高度Ec随沟道层厚度变化的曲线；8)在步骤6)中得到的不同沟道层厚度下二维电子气密度随纵向位置变化的一系列曲线中，选取二维电子气密度峰值作为研究对象，得到二维电子气密度峰值ns随沟道层厚度变化的曲线；9)定义ns的常用对数Log(ns)与Ec的乘积，即EcLog(ns)为沟道优值因子，利用步骤7和步骤8得到的两条曲线，得到沟道优值因子随沟道层厚度变化的曲线；10)观察沟道优值因子随沟道层厚度变化的曲线，以沟道优值因子具有最大值来确定沟道层最佳厚度。