一種基於氮化鎵材料的雙異質結聲電荷輸運延遲線的製作方法

2023-08-12 22:48:26 1

專利名稱：一種基於氮化鎵材料的雙異質結聲電荷輸運延遲線的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種聲電荷輸運器件(ACT，Acoustic Charge "Transport)，尤其 是一種基於氮化鎵材料的雙異質結聲電荷輸運延遲線。
背景技術：
ACT器件是一種高頻高速模擬信號處理器，是把電荷耦合器件與聲表面波器件結 合起來的一種新型半導體器件，可以直接應用於射頻領域。它是一種完全可編程的模擬信 號處理器，不需要A/D和D/A轉換器，具有信號處理速度快、可靠性高、功耗低、尺寸小、重量 輕等優點。用ACT器件構成的橫向濾波器、自適應濾波器和均衡器等已經廣泛應用於軍事 防禦、商業系統中。對於ACT器件來說，材料的選取極其重要，直接關係著ACT器件研究的成功與否。 ACT器件要求所選用的半導體材料既具有強壓電性能以獲得較高的聲表面波電勢場，同時 要求其具備高電子遷移率以獲得高的轉移效率。GaAs材料具有壓電特性和高電子遷移率， 符合ACT技術要求，一直為ACT技術的理想材料。但是，GaAs材料美中不足的是其壓電性 能較弱，需要較大的功率才能產生足夠大的聲表面波電勢場，並且一般只應用於窄帶ACT 器件，雖然利用壓電薄膜技術可以得到帶寬比較大的器件，但是隨著信號頻率的不斷提高， 聲表面波叉指換能器指條間的距離越來越小，工藝實現比較困難。這在一定程度上限制了 GaAs ACT技術的發展。
發明內容本實用新型目的是提供一種使用範圍廣的，適合高頻應用的氮化鎵基雙異質結 聲電荷輸運延遲線。本實用新型的技術方案是一種基於氮化鎵材料的雙異質結聲電荷輸運延遲線， 包括基片，其特徵在於所述基片上設有第一緩衝層，所述第一緩衝層上設有氮化鎵半絕緣 型襯底，所述氮化鎵半絕緣型襯底上設有第二緩衝層，所述第二緩衝層上設有第一氮化鎵 鋁勢壘層，所述第一氮化鎵鋁勢壘層上設有氮化鎵層，所述氮化鎵層上設有第二氮化鎵鋁 勢壘層，所述第一氮化鎵鋁勢壘層、氮化鎵層、第二氮化鎵鋁勢壘層以及第二緩衝層的四邊 被刻蝕掉以形成ACT電荷輸運溝道，所述氮化鎵半絕緣型襯底兩端有可以構成聲表面波叉 指換能器的金屬圖案，所述第二氮化鎵鋁勢壘層兩端有電極。進一步的，所述第一緩衝層為氮化鎵緩衝層或氮化鋁緩衝層。進一步的，所述第二緩衝層為氮化鎵緩衝層，且必須為ρ型摻雜。進一步的，所述基片為藍寶石基片或碳化矽基片。工作原理為了實現高的電荷輸運效率，ACT技術溝道必須滿足以下3個因素第 一，為了確保高的輸運效率，必須保證由叉指換能器激發的聲表面波在傳播過程中產生的 行波電勢場不會被半導體層中自由電荷所創建的電場屏蔽掉。第二，溝道要能夠抑制鄰近 的導電層、勢壘層或者半導體內的載流子逸入溝道內。第三，溝道能把信號電荷限制於溝道內，消除除溝道以外的其它的電流途徑。為了避免半導體層中的自由電荷將聲表面波形成的行波電勢場屏蔽掉，通常可以 採用刻蝕，質子注入或者外加偏置這三種辦法。這三種辦法各有優缺點，刻蝕容很易使表面 凹凸不平，不利於高頻應用；質子注入只能應用於薄外延層，並且採用質子注入的方法很容 易破壞晶體結構，不利於聲表面波的傳播；採用外加偏壓這種辦法需要考慮半導體特點、摻 雜等因素，較為複雜。本發明中所採用的氮化鎵雙異質結結構ACT，溝道很接近表面，遠淺於 傳統隱埋層ACT溝道位置(大約半個波長)，因此，針對本發明器件結構的特點，採用刻蝕的 方法將第一氮化鎵鋁勢壘層、氮化鎵層、第二氮化鎵鋁勢壘層以及第二緩衝層兩端刻蝕掉， 將聲表面波叉指換能器直接製作於氮化鎵半絕緣型襯底上，消除自由電荷對行波電勢場屏 蔽的影響。為了抑制鄰近的導電層、勢壘層或者半導體內的載流子逸入溝道內幹擾束縛於電 勢阱內的信號電荷，有以下三種方法可以考慮1、製作保護環。2、採用網格刻蝕的方法。3、 對溝道外其它區域進行離子注入破壞晶格結構。但是，製作保護環會引起RF反饋問題。由 於刻蝕與離子注入方法都可以應用於異質結結構，本發明中，採用刻蝕的方法，將第一氮化 鎵鋁勢壘層、氮化鎵層、第二氮化鎵鋁勢壘層以及第二緩衝層的上下兩邊(俯視)刻蝕掉， 以形成ACT電荷輸運溝道。傳統的方法是採用簡單的p-n-p結構來形成耗盡的ρ型半導體層將信號電荷抑制 於溝道內。但是對於氮化鎵而言，這個方法卻不容易實現。因為對氮化鎵進行P型摻雜比 較困難，難以實現，因此，本發明中採用雙異質結的方式。由於異質結界面處能帶的不連續 性，在異質結界面處形成電勢阱，雙異質結在界面處形成對稱的量子阱結構。產生的電勢阱 可以限制電荷在垂直方向上的擴散，將信號電荷限制於異質結界面附近的溝道內。本實用新型的優點是1.雙異質結結構中上下兩個異質結界面上的能帶帶階及負極化電荷可以形成對 稱的量子阱結構，提高了量子限制，抑制電荷在垂直方向上的擴散運動。2.氮化鎵具有優異的壓電性能，可以擴大氮化鎵ACT技術的應用範圍。3.藍寶石上氮化鎵材料具有較大的聲表面波速度，有利於高頻應用。4. AWaN/GaN異質結界面處的大能帶帶階和強極化電荷可以產生高面密度二維電 子氣。
以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述

圖1為本實用新型的基於氮化鎵材料的雙異質結聲電荷輸運延遲線的橫截圖。圖2為本實用新型的基於氮化鎵材料的雙異質結聲電荷輸運延遲線的俯視圖。圖3為本實用新型的基於氮化鎵材料的雙異質結聲電荷輸運延遲線的聲表面波 叉指換能器圖。圖4為本實用新型的基於氮化鎵材料的雙異質結聲電荷輸運延遲線的異質結界 面處導帶圖。
具體實施方式
實施例如圖1、2、3所示在藍寶石基片1上外延氮化鎵緩衝層2以降低由藍寶 石與氮化鎵晶格失配所引起的高缺陷密度，氮化鎵緩衝層2上外延氮化鎵半絕緣型襯底3。 氮化鎵半絕緣型襯底3上外延氮化鎵緩衝層4，氮化鎵緩衝層4上外延氮化鎵鋁勢壘層5， 氮化鎵鋁勢壘層5上外延氮化鎵溝道層6，氮化鎵溝道層6上外延氮化鎵鋁勢壘層7。所述 緩衝層4、氮化鎵鋁勢壘層5、氮化鎵層6以及氮化鎵鋁勢壘層7的四邊被刻蝕掉以形成ACT 電荷輸運溝道10。氮化鎵鋁勢壘層7兩端有輸入8/輸出9歐姆電極。在氮化鎵半絕緣型 襯底3上製作聲表面波叉指換能器11。其中，聲表面波叉指換能器11由電極111及指條 112組成。緩衝層2用以降低由藍寶石與氮化鎵晶格失配所引起的高缺陷密度，提高氮化鎵 材料質量。緩衝層4用以提高界面質量。基片材料還可以選擇碳化矽，緩衝層2材料還可 以選擇氮化鋁。如圖4所示，氮化鎵鋁勢壘層5、7與氮化鎵溝道層4界面處形成異質結結構，由於 能帶的不連續性，在界面處形成對稱量子阱結構，三角型電勢壘將二維電子氣限制於溝道 內，形成電流輸運溝道。ACT技術要求溝道能把信號電荷限制於溝道內，而單異質結ACT結 構在抑制電荷向襯底方向擴散的能力不足。氮化鎵雙異質結結構可以在溝道上下兩側各形 成能帶勢壘，形成對稱的量子阱結構，更好抑制電荷在垂直方向上的擴散運動。氮化鎵具有 優異的壓電性能，與砷化鎵相比，只要較小的驅動功率就可以得到足夠高的聲表面波勢場。 因此，與砷化鎵ACT技術相比，氮化鎵ACT技術的應用範圍更加廣闊。藍寶石上生長的氮化 鎵材料具有較大的聲表面波速度，約為5000m/s，較常用的壓電材料大20%以上。聲速高意 味著在相同頻率下具有較大的波長，從而在製作高頻叉指換能器時工藝相對簡單，容易實 現。高聲速使得氮化鎵廣泛的應用於高頻器件。AWaN/GaN異質結界面處的大能帶帶階和 強極化電荷使二維電子氣ODEG)密度比砷化鎵質結二維電子氣密度提高一個數量級。高 的二維電子氣密度可以改進器件的性能。
權利要求1.一種基於氮化鎵材料的雙異質結聲電荷輸運延遲線，包括基片，其特徵在於所述 基片上設有第一緩衝層，所述第一緩衝層上設有氮化鎵半絕緣型襯底，所述氮化鎵半絕緣 型襯底上設有第二緩衝層，所述第二緩衝層上設有第一氮化鎵鋁勢壘層，所述第一氮化鎵 鋁勢壘層上設有氮化鎵層，所述氮化鎵層上設有第二氮化鎵鋁勢壘層，所述第一氮化鎵鋁 勢壘層、氮化鎵層、第二氮化鎵鋁勢壘層以及第二緩衝層的四邊被刻蝕掉以形成ACT電荷 輸運溝道，所述氮化鎵半絕緣型襯底兩端有可以構成聲表面波叉指換能器的金屬圖案，所 述第二氮化鎵鋁勢壘層兩端有電極。
2.根據權利要求1所述的基於氮化鎵材料的雙異質結聲電荷輸運延遲線，其特徵在 於，所述第一緩衝層為氮化鎵緩衝層或氮化鋁緩衝層。
3.根據權利要求1所述的基於氮化鎵材料的雙異質結聲電荷輸運延遲線，其特徵在 於，所述所述第二緩衝層為氮化鎵緩衝層，所述氮化鎵緩衝層為P型摻雜。
4.根據權利要求1所述的基於氮化鎵材料的雙異質結聲電荷輸運延遲線，其特徵在 於，所述基片為藍寶石基片或碳化矽基片。
專利摘要本實用新型公開了一種基於氮化鎵材料的雙異質結聲電荷輸運延遲線，包括基片，其特徵在於所述基片上設有第一緩衝層，所述第一緩衝層上設有氮化鎵半絕緣型襯底，所述氮化鎵半絕緣型襯底上設有第二緩衝層，所述第二緩衝層上設有第一氮化鎵鋁勢壘層，所述第一氮化鎵鋁勢壘層上設有氮化鎵溝道層，所述氮化鎵溝道層上設有第二氮化鎵鋁勢壘層，所述氮化鎵半絕緣型襯底兩端有可以構成聲表面波叉指換能器的金屬圖案，所述第二氮化鎵鋁勢壘層兩端有電極。雙異質結結構中上下兩個異質結界面上的能帶帶階及負極化電荷可以形成對稱的量子阱結構，提高了量子限制，抑制電荷在垂直方向上的擴散運動。氮化鎵具有優異的壓電性能，可以擴大氮化鎵ACT技術的應用範圍。藍寶石上氮化鎵材料具有較大的聲表面波速度，有利於高頻應用。AlGaN/GaN異質結界面處的大能帶帶階和強極化電荷可以產生高面密度二維電子氣。
文檔編號H01L27/12GK201893341SQ20102054726
公開日2011年7月6日 申請日期2010年9月29日 優先權日2010年9月29日
發明者張曉東, 王曉彧, 薛川, 陳濤, 高懷 申請人:蘇州英諾迅科技有限公司