基于铁电畴极化调控二维电子气浓度的方法及其器件

1.本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于铁电畴极化调控二维电子气浓度的方法及其器件。


背景技术：

2.随着微电子技术的发展，以gan为代表的第三代半导体材料可以实现更好的电子浓度和运动控制，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件。其中，algan/gan异质结具有高的电子迁移率和高的击穿电场，其优异的性能使得algan/gan异质结在功率和射频器件方面具有广泛的应用。在器件在其它性能(比如电子迁移率)不变的情况下，二维电子气(two-dimensional electron gas，2deg)浓度越大，器件的电流越大。在 hemt结构材料中，二维电子气浓度和迁移率的乘积是影响hemt功率器件性能的一项重要指标，该乘积越大，器件越适合工作在大功率条件下。因此，提高2deg浓度是一个急于解决的问题。
3.由于自发极化和压电极化的限制，器件的二维电子气(2deg)的浓度一般被限制在10
13
cm-2
。algan的晶格常数小于gan，由于张应力诱导压电极化，会在gan界面处产生位错。当al组分增大时，由于导带不连续和晶格失配会导致极化电荷增加，进而使得2deg浓度增加。基于此，相关研究人员一般通过增大势垒层厚度和al组分来提高沟道内2deg的浓度。
4.然而，上述方法不易操作，且太大的晶格失配会在algan/gan界面处产生位错，从而影响器件性能。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种通过湿法腐蚀的方法将algan势垒层减薄，之后利用压电力显微镜(piezoresponse force microscopy，pfm)导电探针施加电压写入铁电畴的方法来提高沟道内的 2deg密度。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.第一方面，本发明提供了一种基于铁电畴极化调控二维电子气浓度的方法，包括：
7.步骤1：获取包括衬底、gan沟道层以及algan势垒层的外延片；
8.步骤2：采用湿法腐蚀工艺对所述algan势垒层进行减薄；
9.步骤3：在所述algan势垒层表面制备欧姆电极；
10.步骤4：将pzt材料转移到欧姆电极之间的algan势垒层上，以形成pzt 铁电层；
11.步骤5：通过pfm导电探针在所述pzt铁电层上施加电压写入极化畴，以使pzt铁电层的极化方向变得有序，从而产生与所述algan势垒层相同的极化方向，实现沟道内的二维电子气浓度增大。
12.在本发明的一个实施例中，所述衬底为蓝宝石、si或者sic，所述algan 势垒层为al
0.25
ga
0.75
n。
13.在本发明的一个实施例中，步骤2包括：
14.2a)对所述外延片进行清洗，并用氮气枪迅速吹干；
15.2b)将清洗好的外延片放入第一腐蚀溶液中进行腐蚀，以对所述algan 势垒层进行减薄，之后用去离子水冲洗，吹干。
16.在本发明的一个实施例中，在步骤2b)中，所述第一腐蚀溶液为四甲基氢氧化铵。
17.在本发明的一个实施例中，步骤3包括：
18.3a)通过电子束蒸发设备在所述algan势垒层表面蒸镀ti/al/ni/au金属叠层；
19.3b)对步骤3a)得到的器件进行快速退火形成欧姆电极。
20.在本发明的一个实施例中，步骤4包括：
21.4a)利用脉冲激光沉积技术生长pzt材料；
22.4b)将生长好的pzt材料放在第二腐蚀溶液中进行腐蚀，以剥离出单晶 pzt；
23.4c)将单晶pzt用镊子夹着放入去离子水中，单晶pzt漂浮在水面上，用步骤3得到的器件将单晶pzt捞起来，以将单晶pzt转移到欧姆电极之间的algan势垒层上，形成pzt铁电层。
24.在本发明的一个实施例中，在步骤4b)中，所述第二腐蚀溶液为hcl、 ki和水按照hcl:ki:水＝13ml:0.1g:500ml的比例配置而成的溶液。
25.在本发明的一个实施例中，步骤5包括：
26.5a)设置pfm为压电模式，安装导电探针并调节激光将光斑达到悬臂前端；
27.5b)将步骤4得到的二维电子器件放置在导电探针下方，并调节参数，完成下针；
28.5c)在欧姆电极之间施加电压写入极化畴，使铁电层极化，产生与所述 algan势垒层相同的极化方向。
29.在本发明的一个实施例中，在步骤5c)中，在欧姆电极之间施加电压的范围为3v到8v，扫描范围为20μm
×
20μm，极化畴的大小为2.8μm
×
17μm。
30.第二方面，本发明提供了一种二维电子器件，包括衬底、gan沟道层、 algan势垒层、欧姆电极以及pzt铁电层；
31.所述衬底、所述gan沟道层和所述algan势垒层自下而上依次设置；
32.所述欧姆电极位于所述algan势垒层上表面两侧；
33.所述pzt铁电层位于所述欧姆电极中间的algan势垒层上；
34.其中，所述pzt铁电层有通过pfm导电探针施加电压写入极化畴产生的与所述algan势垒层相同的极化方向。
35.本发明的有益效果：
36.1、本发明通过在algan势垒层上的源漏电极之间形成pzt铁电层，并利用pfm导电探针在pzt铁电层写入极化畴，从而产生与algan势垒层相同的极化方向，在不影响器件性能的情况下提升了沟道内二维电子气，且该方法不仅操作简单，而且可以灵活改变极化畴的大小；
37.2、本发明采用湿法腐蚀工艺减薄algan势垒层，得到的algan势垒层表面粗糙度很小，避免了干法刻蚀带来的刻蚀损伤，并且通过减薄势垒层，沟道内的载流子浓度减少，便于之后的极化调控；
38.3、本发明采用pld工艺生长的铁电层为单晶，外延质量较好，有利于写入极化畴。
39.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
40.图1是本发明实施例提供的基于铁电畴极化调控二维电子气浓度的方法的流程示意图；
41.图2是本发明实施例提供的基于铁电畴极化调控二维电子气浓度的工艺过程示意图；
42.图3是本发明实施例提供的一种二维电子器件的结构示意图，
具体实施方式
43.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
44.实施例一
45.请参见图1-2，图1是本发明实施例提供的基于铁电畴极化调控二维电子气浓度的方法的流程示意图，图2是本发明实施例提供的基于铁电畴极化调控二维电子气浓度的工艺过程示意图，具体包括：
46.步骤1：获取包括衬底、gan沟道层以及algan势垒层的外延片。
47.具体的，在本实施例中，衬底可以选择蓝宝石、si或者sic材料。本实施例优选蓝宝石衬底，并在其上依次制备gan沟道层和algan势垒层，如图2中a图所示。关于制备包括衬底、gan沟道层以及algan势垒层的外延片的具体工艺方法，可参考现有技术实现，本实施例对此不做详细描述
48.作为本发明的一种实现方式，gan沟道层的厚度可以为3μm；algan 势垒层可以选择al
0.25
ga
0.75
n材料，厚度为3.8nm。
49.步骤2：采用湿法腐蚀工艺对所述algan势垒层进行减薄。
50.具体的，步骤2包括：
51.2a)对所述外延片进行清洗，并用氮气枪迅速吹干，以防止表面有水渍；
52.2b)将清洗好的外延片放入第一腐蚀溶液中进行腐蚀，以对所述algan 势垒层进行减薄，之后用去离子水冲洗，吹干，得到减薄的algan势垒层，如图2中b图所示。
53.在本实施例中，腐蚀后的algan势垒层的厚度为3.8nm。
54.进一步的，在步骤2b)中，第一腐蚀溶液为四甲基氢氧化铵 (tetramethylammonium hydroxide,tmah)。
55.本实施例采用湿法腐蚀工艺减薄algan势垒层，得到的algan势垒层表面粗糙度很小，避免了干法刻蚀带来的刻蚀损伤，并且通过减薄势垒层，沟道内的载流子浓度减少，便于之后的极化调控。
56.可以理解的是，还需对上述外延片进行基于电感耦合等离子体 (inductively coupled plasma,icp)的台面刻蚀，以形成器件隔离，刻蚀深度为 150nm。
57.步骤3：在所述algan势垒层表面制备欧姆电极。
58.具体的，步骤3包括：
59.3a)通过电子束蒸发设备在所述algan势垒层表面蒸镀ti/al/ni/au金属叠层。
60.在本实施例中，ti/al/ni/au金属的厚度分别为
61.3b)对步骤3a)得到的器件进行快速退火形成欧姆接触，得到欧姆电极，如图2中c
图所示。具体的退火过程可参考现有工艺实现。
62.步骤4：将pzt材料转移到欧姆电极之间的algan势垒层上，以形成 pzt铁电层。
63.具体的，步骤4包括：
64.4a)利用脉冲激光沉积技术(pulsed laser deposition,pld)生长 pzt(pbzr
0.2
ti
0.8
o3)材料，详细的工艺参数可参考现有技术，本实施例对此不做具体限定。
65.4b)将生长好的pzt材料放在第二腐蚀溶液中进行腐蚀，以剥离出单晶 pzt；
66.4c)将单晶pzt用镊子夹着放入去离子水中，单晶pzt漂浮在水面上，用步骤3得到的器件将单晶pzt捞起来，以将单晶pzt转移到欧姆电极之间的algan势垒层上，形成pzt铁电层，如图2中d图所示。
67.在本实施例中，步骤4b)中的第二腐蚀溶液为hcl、ki和水按照hcl:ki: 水＝13ml:0.1g:500ml的比例配置而成的溶液。
68.本实施例采用pld工艺生长的铁电层为单晶，外延质量较好，有利于写入极化畴。
69.步骤5：通过pfm导电探针在所述pzt铁电层上施加电压写入极化畴，以使pzt铁电层的极化方向变得有序，从而产生与所述algan势垒层相同的极化方向，实现沟道内的二维电子气浓度增大。
70.具体的，步骤5包括：
71.5a)设置pfm为压电模式，安装导电探针并调节激光将光斑达到悬臂前端。其中，导电探针可以为scm-pit-v2。
72.5b)将步骤4得到的二维电子器件放置在导电探针下方，并调节参数，完成下针；
73.5c)在欧姆电极(也即源漏电极)之间施加电压写入极化畴，使铁电层极化，产生与所述algan势垒层相同的极化方向，如图2中e图所示。
74.进一步的，在步骤5c)中，在欧姆电极之间施加电压的范围为3v到8v，扫描范围为20μm
×
20μm，极化畴的大小为2.8μm
×
17μm。
75.本发明利用tmah进行化学腐蚀减薄algan势垒层，之后把生长好的单晶pzt转移到器件上，在algan势垒层上的源漏电极之间形成pzt铁电层，通过pfm导电探针在铁电材料pzt上施加电压写入极化畴，使得铁电层的极化方向变得有序，产生与algan势垒层相同的极化方向，在不影响器件性能的情况下提升了沟道内二维电子气，且该方法不仅操作简单，而且可以灵活改变极化畴的大小。
76.实施例二
77.在上述实施例一的基础上，本实施例提供了一种二维电子器件，请参见图3，图3是本发明实施例提供的二维电子器件结构示意图，其包括衬底 1、gan沟道层2、algan势垒层3、欧姆电极4以及pzt铁电层5；
78.所述衬底1、所述gan沟道层2和所述algan势垒层3自下而上依次设置；
79.所述欧姆电极4位于所述algan势垒层3上表面两侧；
80.所述pzt铁电层5位于所述欧姆电极4中间的algan势垒层3上；
81.其中，所述pzt铁电层5有通过pfm导电探针施加电压写入极化畴产生的与所述algan势垒层相同的极化方向。
82.本发明提供的二维电子器件采用上述实施例一提供的铁电畴极化调控二维电子气浓度的方法制备得到，由此，该器件具有较高的二维电子气浓度和更好的器件性能。
83.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
84.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
85.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
86.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。