基于多周期量子阱结构的HEMT器件

摘要

本发明公开了一种基于多周期量子阱结构的HEMT器件，包括衬底，衬底上生长缓冲层，缓冲层上生长量子阱有源层；量子阱有源层包括：势垒层、隔离层、沟道层和缺陷层；量子阱有源层上设置源极、漏极和栅极，栅极位于量子阱有源层的中间，源极和漏极位于量子阱有源层的两侧。本发明通过引入缺陷层俘获电子，使器件可以快速关断；通过生长多周期量子阱异质结，产生多个导电通道层，增加了器件的功率处理能力；通过使用台面结构，有效解决常规表面电极引起的内部电场弯曲问题，漏、源电压可以无差别的加载到多周期异质结两端；该器件的成功研发将使HEMT器件向更高频、高速、大功率领域发展。

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种基于多周期量子阱结构的HEMT器件。

背景技术

HEMT(High Electron Mobility Transistor)，高电子迁移率晶体管，是一种异质结场效应晶体管，能够工作于超高频(毫米波)、超高速领域。由于InP材料具有高饱和电子迁移率、高击穿电场、良好的热导率，InP基的晶格匹配HEMT，其性能比GaAs基的HEMT更为优越，随着InP单晶的制备取得进展，InP基的HEMT性能也得到很大的提高。

相比于GaAs基的HEMT，InP基的HEMT具有更高的转换效率、工作频率、输出功率和低噪声等特性，使得其在高频、高速、大功率方面有着重要应用。InP基的HEMT常温300K下，In_0.52Al_0.48As的禁带宽度为1.47eV，In_0.53Ga_0.47As的禁带宽度为0.74eV，两者导带能级相差0.44eV，具有较大的导带不连续性。因而，在InGaAs沟道中可以产生高迁移率、高浓度的二维电子气，使InP基HEMT器件保持高频、高速、大功率的性能。

目前，人们已经利用InGaAs/InAlAs异质结设计出可用于太赫兹波段工作的HEMT有源区结构，应用于太赫兹的产生、探测等领域。但是，常规InGaAs/InAlAs的HEMT普遍存在异质结界面二维电子气面密度有限的问题，导致器件电流处理能力有限。而且，由于载流子寿命较长，导致HEMT无法快速关断。常规的表面电极也存在内部电场弯曲的问题。因此，如何通过合理设计有源区结构，解决上述不足已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于多周期量子阱结构的HEMT器件。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于多周期量子阱结构的HEMT器件，包括衬底，衬底上生长缓冲层，缓冲层上生长量子阱有源层。其中，量子阱有源层包括：势垒层、隔离层、沟道层和缺陷层。量子阱有源层上设置源极、漏极和栅极，栅极位于量子阱有源层的中间，源极和漏极位于量子阱有源层的两侧。

势垒层、隔离层、缺陷层和缓冲层的材料为InAlAs，沟道层的材料为InGaAs。势垒层、隔离层、缺陷层和缓冲层的材料为AlGaN，沟道层的材料为GaN。

进一步地，势垒层、隔离层、沟道层、缺陷层和缓冲层宽度相同，衬底的宽度大于上述各层的宽度，两侧均形成台面结构。栅极位于量子阱有源层顶部，源极与漏极位于量子阱有源层两侧的台面结构。

进一步地，量子阱有源层上设置n个顺序结构而构成的沟道层，且每个沟道层都是等间距的。

进一步地，量子阱有源层的四层，势垒层、隔离层、沟道层和缺陷层，可以自上而下依次排列，也可以自下而上依次排列。

有益效果：本发明的HEMT器件通过引入缺陷层俘获电子，使器件关断时可以快速关断；通过生长多周期量子阱异质结，产生多个导电通道层，使其突破临界厚度的生长和单异质结界面二维电子气浓度有限的限制，增加了器件电流、功率处理能力；通过使用台面结构，使源极、漏极电极位于多周期异质结的两侧，有效解决常规上表面电极引起的内部电场弯曲问题，漏、源电压可以无差别的加载到多周期异质结两端；该器件的成功研发将使HEMT器件向更高频、高速、大功率领域发展。

附图说明

图1是实施例1中HEMT器件的示意图；

图2是实施例2中HEMT器件的示意图；

图3是实施例3中HEMT器件的示意图；

图4是实施例4中HEMT器件的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，基于多周期量子阱结构的HEMT器件，采用半绝缘InP材料作为衬底9，衬底9上生长晶格匹配的缓冲层8，缓冲层8之上为量子阱有源层。量子阱有源层从上而下依次包括：势垒层1、隔离层2、沟道层3和缺陷层4。量子阱有源层上设置源极5、漏极6和栅极7，源极5和漏极6为欧姆接触。栅极7位于有源层的中间，源极5和漏极6位于有源层的两侧。

势垒层1、隔离层2和缺陷层4以及缓冲层8的材料可以选为InAlAs，同时沟道层3的材料为InGaAs。势垒层1、隔离层2和缺陷层4以及缓冲层8的材料也可以使用AlGaN，同时沟道层3的材料选择GaN。

本发明的HEMT器件还可以采用半导体III-VI族的其他一些材料，例如GaAs、InGaN、AlN、InAlN、GaNAsSb等。

势垒层1为δ掺杂的势垒层，其δ-doping为2×10¹²/cm^-2。势垒层1的厚度为2～15nm。隔离层2的厚度为2～5nm。沟道层3的生长温度范围为400～500℃，厚度为4～15nm。缺陷层4的生长温度范围为300～500℃，厚度为4～15nm。缓冲层8利用外延方法生长在半绝缘InP材料衬底9上，与InP衬底9晶格匹配，其厚度为200nm。

器件导通时，二维电子气主要位于隔离层2与沟道层3的界面，缺陷层4对二维电子气的输运特性影响很小。当外加栅极电压，将二维电子气波函数移向缺陷层4，缺陷层4中的高密度深能级陷阱俘获电子，大大降低了HEMT器件关断时电子的寿命，使HEMT器件可以快速关断。

实施例2

如图2所示，势垒层1、隔离层2、沟道层3、缺陷层4和缓冲层8宽度相同，衬底9的宽度大于上述各层的宽度，于两侧均形成台面结构，电极与量子阱有源层连接于该台面结构上。栅极7位于量子阱有源层顶部，源极5与漏极6为“L”型，位于台面结构的两侧。

台面结构的电极能够有效解决常规的表面电极引起的内部电场弯曲问题，漏、源电压可以无差别的加载到多层异质结两端，增大漏、源水平方向的电场分量，使电子可以快速通过导电沟道。进一步提高InP基HEMT器件在高频、高速、大功率领域方面应用的能力。

实施例3

如图3所示，量子阱有源层中势垒层1的上层又设置n个顺序结构而构成的沟道层，沟道层的材料为InGaAs或GaN。并且每个沟道层都是等间距的。n可以是100。

多周期量子阱结构拥有更多的二维电子气导电通道，相比单量子阱结构，提高了器件处理大电流、大功率信号的能力。

实施例4

如图4所示，量子阱有源层从上而下依次为：缺陷层4、沟道层3、隔离层2和势垒层1。生长顺序与实施例3相反，其他结构与实施例3相同。

本发明所有实施例中，源极5和漏极6一般采用金属合金，常用的有Ti/Al/Ni/Au或Mo/Al/MoAu。栅极7一般采用功函数较大的金属合金，例如Ni/Au或者Ti/Au。