[發明專利]基于刻蝕的一維電子氣GaN基HEMT器件及制備方法

有效

• 申請號: 201310280216.3
• 申請日: 2013-07-04
• 公開（公告）號: CN103367428A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 馬曉華;陳偉偉;湯國平;郝躍;趙勝雷
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/06;H01L21/335
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體器件，特別是基于GaN半導體材料異質結結構的一維電子氣HEMT器件，可作為微波、毫米波通訊系統以及雷達系統的基本器件。

背景技術

III-V族化合物半導體材料是十多年來迅速發展起來的第三代半導體材料，如GaN基、GaAs基、InP基等半導體材料，它們的禁帶寬度很大，并且可以與InN、AlN等形成合金半導體，使其禁帶寬度可調。人們通常利用這些III-V族化合物半導體材料形成各種異質結結構，由于異質結界面兩側的III-V族化合物半導體材料的禁帶寬度存在較大的差異，使異質結界面附近產生了一個量子勢阱。人們通過對材料進行摻雜或利用材料的極化效應等特性，可以在量子勢阱中產生高濃度的二維電子氣。這種二維電子氣被束縛在量子勢阱中，實現了載流子與電離雜質在空間上的分離，大大降低了載流子和離化施主之間的散射，從而大大提高了電子遷移率。如果把平行于半導體表面（x-y平面）的二維電子氣在y方向進一步壓縮，使其封閉于長為L_x，寬為L_y的細絲內，當L_y的大小同L_z的一樣，都與電子波長差不多時，則稱該細絲為量子線。量子線的寬度為納米量級。若L_y和L_z足夠小，則量子化的能級間距較大，在細絲內只可能存在少數幾個量子狀態。這時電子的運動僅沿著細絲的x方向，其能量僅由x方向的的波數k_x來決定，這種量子線中的電子體系即為一維電子氣。

一維電子氣具有若干特殊的輸運性質。首先，因為一維電子氣能量的量子化顯著，則電子數目越多，總能量就越高，從而速度v_x也就越高。這就是說，電子濃度N越高，電子的速度v_x就越大。同時遷移率μ也將隨著電子濃度的增高而增大。預期電子的遷移率可增高到10⁷cm²/v·s；其次，因為一維電子氣不易改變運動方向，即使存在有彈性散射，只有背散射，概率也極小，因而能量再高也不可能發射光學波聲子而躍遷到低能態，則非彈性散射概率也很小。所以一維電子氣遭受各種散射的概率很小。正因為如此，在高電場下速度v_x也不飽和，這就是說，在高電場下一維電子氣也具有很高的速度；最后，因為一維電子氣只有一個自由度，故不產生Hall效應。

1987年，荷蘭科學家Bart?J.Van?Wees和Henk?Van?Houten首先報道了利用GaAs/AlGaAs高電子遷移率晶體管在形成金屬分裂柵結構條件下形成的準一維電子氣溝道，并觀察到準一維量子線負柵壓下的量子電導現象，參見“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等人報道了利用聚焦離子注入的方法制備一維GaAs量子線。首先在半絕緣的GaAs襯底上進行聚焦Si離子束注入形成寬度為20μm的導電層，然后進行半徑為0.1μm的聚焦Si離子注入形成高阻區，使導電層形成一個很窄的導電溝道，從而獲得量子線。參見“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緩沖層上利用分子束外延二次生長技術制備了量子線結構。分子束外延生長時，Ga原子在刻蝕臺面的不同面上具有不同的擴散速度。Ga原子在側壁面上的擴散速度很高，很容易移動到頂層上，因而GaAs在側壁的生長速度很慢，生長的GaAs層很薄。側壁上薄的GaAs層為臺面較厚的GaAs層區域提供了額外的橫向運動維度的限制，產生了量子線效應。參見“Quantum?wires?prepared?by?molecular?beam?epitaxy?regrowth?on?patterned?AlGaAs?buffer?layers”，K.Eberl，Applied?Physics?Letters，Volume63，Number8，August1993。