[发明专利]基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管

说明书

本申请是申请号为201110083011.7、申请日为2011年4月2日、题为“基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管”的分案申请。 

技术领域

本发明涉及一种半导体电子器件，尤其涉及一种基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管。

背景技术

半导体异质结是由两种以上不同半导体材料组成。由于不同半导体材料之间具有不同的物理化学参数（如电子亲和势、能带结构、介电常数、晶格常数等），其接触界面处会产生各种物理化学属性的失配，从而使异质结具有许多新特性。异质结场效应晶体管的基本结构就是包含一个由宽带隙材料和窄带隙材料构成的异质结。在该异质结中，掺N型杂质的宽带隙材料作为电子的提供层向不掺杂窄带隙材料提供大量电子，或者由于强极化材料的极化效应引起大量电子，这些电子积累在由两种材料导带的能量差形成的三角形势阱中形成二维电子气。由于脱离了施主电离中心的散射，而呈现出很高的迁移率。利用高浓度、高迁移率的二维电子气作为导电沟道，沟道中的电子浓度受到栅电压的调制，在栅极两侧设置源区和漏区，即形成异质结场效应晶体管。由于其具有非常高的截止频率和振荡频率、高的电流密度、较小的短沟效应以及良好噪声性能，异质结场效应晶体管在微波低噪声放大器、高速数字集成电路、高速静态随机存储器、高温电路、功率放大器以及微波振荡电路方面具有非常广的应用。

目前，已经有非常多的材料系统应用于异质结场效应晶体管，并且已经取得了非常优异的成果。如GaAs基异质结场效应晶体管（HFET）在高频、超高频以及微波无线电频率领域已得到广泛应用。而在毫米波段，与GaAs相比InP由于其优越的性能受到人们的关注。InP的击穿电场、电子平均速度均更高，而且在在异质结InAlAs/InGaAs界面处存在较大的导带不连续性、二维电子气密度大、沟道中电子迁移率高，所以InP基器件更适于高频应用。并且，Si/SiGe基和最近非常受关注的GaN基的异质结场效应晶体管等由于其材料以及形成异质结后所具有的优点，同样也受到人们的关注。

一般情况下，异质结在没有外偏压的情况下就有很高密度的二维电子气，形成的器件为耗尽型器件。然而，从应用的角度来看，增强型的HEMT具有很多优势。例如，在高频PA和LNA应用方面，增强型HEMT可免去负性电压源的使用，从而降低电路的复杂性和成本；在数字应用方面，耗尽型和增强型HEMT的集成所形成的直接耦合场效应晶体管逻辑（DCFL）可以提供最简单的电路结构；在功率电子应用方面，由于系统可靠性和成本的要求，通常没有负电源，因而应用于功率电子系统的核心开关器件必须是增强型（常关型）器件。异质结场效应晶体管一个重要应用是在高频、高速电路系统中，这就需要更高的器件截止频率和最高振荡频率。

目前，实现增强型HEMT器件的技术有槽栅技术、氟处理技术和p型栅的所谓GIT技术，这些技术都存在一定的不足之处，尤其是在三族氮化物半导体HEMT方面，比如槽栅技术的工艺控制难度很大，氟处理技术和GIT技术的可靠性还有待验证。另外，基于普通的HEMT结构，器件的频率性能的提升主要依赖于减小栅长，现在的技术已经实现了栅长30-50nm的器件，如果需要进一步提高器件的频率特性，将不可避免的遇到巨大的工艺难度。基于以上原因，我们提出一种新的HEMT器件结构，该结构能够实现器件阈值电压大范围的调整，甚至实现增强型器件，并且能够在栅长相同的情况下，有效提高器件的频率性能。

发明内容

鉴于现有技术中的不足，本发明的目的在于提出一种新结构的异质结场效应晶体管，以满足实际应用的需要。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管，包括异质结，所述异质结包括由上到下层叠设置的第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层界面处形成有二维电子气，所述第一半导体层上设置有源极、漏极和栅极，所述栅极设置于源极和漏极之间，其特征在于：

所述栅极下方的异质结内形成有一条以上沟道，且所述电子沟道两端分别指向源极和漏极。

进一步的讲，所述栅极下方的异质结内设有由复数条并列设置的沟道组成的沟道阵列。

所述沟道的上端面和两侧壁上连续覆设用于构成栅极的栅金属层。

优选的，所述沟道的上端面和两侧壁与栅金属层之间还设置有绝缘层或氧化层。

所述沟道的宽度在1nm～10μm。

所述栅金属层自所述沟道两端之间的一选定位置延展至覆盖沟道靠近源极或漏极的一端边缘部上。

所述栅金属层分布在所述沟道的两端之间。