基于铁电畴极化调控二维电子气浓度的方法及其器件技术

本发明专利技术公开了一种铁电畴极化调控二维电子气浓度的方法，包括：获取包括衬底、GaN沟道层以及AlGaN势垒层的外延片；采用湿法腐蚀工艺对AlGaN势垒层进行减薄；在AlGaN势垒层表面制备欧姆电极；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；通过PFM导电探针在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。本发明专利技术提供的方法在不影响器件性能的情况下提升了沟道内的二维电子气，且该方法不仅操作简单，而且可以灵活改变极化畴的大小。畴的大小。畴的大小。

【技术实现步骤摘要】
基于铁电畴极化调控二维电子气浓度的方法及其器件


[0001]本专利技术属于微电子
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
专利技术内容
[0005]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。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0006]第一方面，本专利技术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：
[0007]步骤1：获取包括衬底、GaN沟道层以及AlGaN势垒层的外延片；
[0008]步骤2：采用湿法腐蚀工艺对所述AlGaN势垒层进行减薄；
[0009]步骤3：在所述AlGaN势垒层表面制备欧姆电极；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，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。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，步骤2包括：
[0014]2a)对所述外延片进行清洗，并用氮气枪迅速吹干；
[0015]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。
[0016]在本专利技术的一个实施例中，在步骤2b)中，所述第一腐蚀溶液为四甲基氢氧化铵。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，步骤3包括：
[0018]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；
[0019]3b)对步骤3a)得到的器件进行快速退火形成欧姆电极。
[0020]在本专利技术的一个实施例中，步骤4包括：
[0021]4a)利用脉冲激光沉积技术生长PZT材料；
[0022]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；
[0023]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。
[0024]在本专利技术的一个实施例中，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。
[0025]在本专利技术的一个实施例中，步骤5包括：
[0026]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；
[0027]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；
[0028]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。
[0029]在本专利技术的一个实施例中，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。
[0030]第二方面，本专利技术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；
[0031]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；
[0032]所述欧姆电极位于所述AlGaN势垒层上表面两侧；
[0033]所述PZT铁电层位于所述欧姆电极中间的AlGaN势垒层上；
[0034]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。
[0035]本专利技术的有益效果：
[0036]1、本专利技术通过在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；
[0037]2、本专利技术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；
[0038]3、本专利技术采用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。
[0039]以下将结合附图及实施例对本专利技术做进一步详细说明。
附图说明
[0040]图1是本专利技术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；
[0041]图2是本专利技术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；
[0042]图3是本专利技术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
[0043]下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0044]实施例一
[0045]请参见图1
‑
2，图1是本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于铁电畴极化调控二维电子气浓度的方法，其特征在于，包括：步骤1：获取包括衬底、GaN沟道层以及AlGaN势垒层的外延片；步骤2：采用湿法腐蚀工艺对所述AlGaN势垒层进行减薄；步骤3：在所述AlGaN势垒层表面制备欧姆电极；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；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。2.根据权利要求1所述的基于铁电畴极化调控二维电子气浓度的方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的基于铁电畴极化调控二维电子气浓度的方法，其特征在于，步骤2包括：2a)对所述外延片进行清洗，并用氮气枪迅速吹干；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。4.根据权利要求3所述的基于铁电畴极化调控二维电子气浓度的方法，其特征在于，在步骤2b)中，所述第一腐蚀溶液为四甲基氢氧化铵。5.根据权利要求1所述的基于铁电畴极化调控二维电子气浓度的方法，其特征在于，步骤3包括：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；3b)对步骤3a)得到的器件进行快速退火形成欧姆电极。6.根据权利要求1所述的基于铁电畴极化调控二维电子气浓度的方法，其特征在于，步骤4包括：4a)利用脉冲激光沉积技术生长PZT材料；4b)将生长好的PZT材料放在第二腐蚀溶液中...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓华，陆小力，郑雪峰，丛哲哲，何云龙，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：