[發明專利]一種優化量子阱HEMT器件溝道層厚度的方法

有效

• 申請號: 201210072930.9
• 申請日: 2012-03-19
• 公開（公告）號: CN102592999A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 胡偉達;王曉東;陳效雙;陸衛
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01L21/335
• 分類號: H01L21/335;H01L29/778;H01L29/10;G06F17/50
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

1.一種優化量子阱HEMT器件溝道層厚度的方法，其特征在于包括以下步驟：

1)首先構建AlN/GaN/AlN量子阱HEMT器件的結構模型，即在AlN單晶襯底上依次形成AlN緩沖層、GaN溝道層、AlN勢壘層和Al₂O₃柵介質層，然后在AlN勢壘層上形成源、漏電極，以及在Al₂O₃柵介質層上形成柵電極；

2)制作三個實驗測量樣品，樣品1：在500μm厚的AlN單晶襯底上生長1μm厚的AlN薄膜；樣品2：在500μm厚的AlN單晶襯底上生長50nm厚的GaN薄膜；樣品3：在500μm厚的AlN單晶襯底上依次生長1μm厚的AlN緩沖層、50nm厚的GaN溝道層、3.5nm厚的AlN勢壘層和5nm厚的Al₂O₃柵介質層；

3)測量步驟2)中所得樣品1得到AlN的性能參數：禁帶寬度為6.2eV，電子有效質量m_e＝0.3m₀，電子遷移率為300～500cm²/Vs，相對介電常數ε_r＝8.5，有效導帶態密度為N_c＝4.1×10¹⁸，電子壽命約為10^-9s，電子飽和速度v_sat＝4.8×10⁶cm/s；測量樣品2得到GaN的性能參數：禁帶寬度為3.47eV，電子有效質量m_e＝0.222m₀，電子遷移率為1300～1500cm²/Vs，相對介電常數ε_r＝9.5，有效導帶態密度為N_c＝2.65×10¹⁸，電子壽命約為10^-8s，電子飽和速度v_sat＝1.03×10⁷cm/s；用電容電壓法測量樣品3得到：Al₂O₃柵介質層與AlN勢壘層界面處的極化電荷密度為-1.6×10¹³cm^-2，AlN勢壘層與GaN溝道層界面處的極化電荷密度為2.6×10¹³cm^-2，GaN溝道層與AlN緩沖層界面處的極化電荷密度為-2.6×10¹³cm^-2；

4)構建物理模型：半導體器件數值模擬的基本方程是泊松方程、電子與空穴的連續性方程、電子與空穴的電流密度方程，載流子復合通過產生復合項加入連續性方程，包括SRH復合、Auger復合和輻射復合，同時還要考慮到載流子的熱效應、速度飽和效應，用有限元方法離散化聯立迭代求解，勢壘的隧穿效應為獨立方程，與上述方程自洽求解；

5)根據步驟2)的實驗測量結果設置物理參數，使模擬環境溫度為300K，固定溝道層厚度，由數值模擬分別得到導帶勢壘高度和二維電子氣密度隨縱向位置變化的曲線；

6)改變溝道層厚度，重復步驟5)，分別得到不同溝道層厚度下導帶勢壘高度和二維電子氣密度隨縱向位置變化的一系列曲線；

7)在步驟6)中得到的不同溝道層厚度下導帶勢壘高度隨縱向位置變化的一系列曲線中，選取一個固定位置，比如溝道層中距離AlN勢壘層和GaN溝道層界面5nm處，得到該位置處的導帶勢壘高度Ec隨溝道層厚度變化的曲線；

8)在步驟6)中得到的不同溝道層厚度下二維電子氣密度隨縱向位置變化的一系列曲線中，選取二維電子氣密度峰值作為研究對象，得到二維電子氣密度峰值n_s隨溝道層厚度變化的曲線；

9)定義n_s的常用對數Log(n_s)與E_c的乘積，即E_cLog(n_s)為溝道優值因子，利用步驟7和步驟8得到的兩條曲線，得到溝道優值因子隨溝道層厚度變化的曲線；

10)觀察溝道優值因子隨溝道層厚度變化的曲線，以溝道優值因子具有最大值來確定溝道層最佳厚度。