[发明专利]增强型晶体管及其制作方法

说明书

本发明提供一种增强型晶体管，包括衬底以及依次形成于所述衬底上的背势垒层、沟道层和异质层，所述异质层上设置有一高迁移率薄膜层，所述高迁移率薄膜层定义出源极区、漏极区和栅极区，所述源极区和漏极区分别连接有源电极和漏电极，所述栅极区被刻蚀形成一暴露出所述异质层的窗口；所述高迁移率薄膜层上依次形成有绝缘介质层和栅电极，所述栅电极在所述高迁移率薄膜层上的投影至少完全覆盖所述窗口。本发明提供的增强型晶体管及其制作方法，提出了一种实现增强型高迁移率晶体管的解决方案，提升了整个增强型晶体管的电子迁移率和工作频率、降低了整个增强型晶体管的导通损耗和开关损耗、简化了制作工艺及晶体管的结构、降低了制作成本。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体地讲，涉及一种增强型晶体管及其制作方法。

背景技术

近五十多年来，功率器件已经由第一代Si半导体材料发展到第二代GaAs半导体材料，再到目前的第三代SiC/GaN半导体材料。第一代Si半导体功率器件虽然取得了显著的成效，但目前其性能已经接近材料的理论极限，另外随着对频率和功率要求越来越高，第二代GaAs半导体材料由于其禁带宽度窄、击穿电场低等因素，导致GaAs功率器件不能满足现有的技术发展。作为重要的第三代宽禁带半导体材料，氮化镓(GaN)禁带宽度大(3.4eV)、击穿电场高(3MV/cm)，AlGaN/GaN异质结的二维电子气浓度高(10¹³cm^-2)、电子饱和漂移速度高(2.8×10⁷cm/s)，且GaN材料的化学惰性和高温稳定性好。因此，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)能够获得很高的击穿电压、功率密度以及极高的工作频率，且开关损耗非常小。

对于GaN材料的晶体管，目前最大的技术难题就是增强型(或常关型)器件的解决方案。由于极化效应的作用，AlGaN/GaN HEMT器件天然形成的是耗尽型的器件，一般需要对栅下的AlGaN等势垒层进行刻蚀，通过消除栅下的极化效应来实现常关型。另一方案是在表面增加一层p型GaN或p型AlGaN，通过能带将2DEG耗尽，但是需要对栅以外的几十纳米厚度的p型GaN或p型AlGaN进行刻蚀，这两种方案都面临刻蚀的均匀性、重复性和引入损伤等问题。还有一种方案是在栅下的AlGaN势垒中注入F离子，通过抬高栅下的能带耗尽2DEG，但是这种方案面临F离子的迁移而产生的高温和长期可靠性问题。此外，这三种方案都会对栅下的电子迁移率造成影响，使栅下迁移率大幅度下降，并且工艺复杂，成本较高。

电子迁移率是影响功率器件工作频率的重要因素，高迁移率薄膜的制备和应用成为当前的研究热点并具有非常大的应用优势，石墨烯等材料的出现和成功制备为各领域的发展注入了新的活力，其非常突出的一个优势是具有非常高的载流子迁移率(室温下可超过200,000cm²/Vs)，远远超过GaN等材料。石墨烯，尤其单层石墨烯可以制作工作频率极高的器件，从而降低开关损耗，缩小整个电子系统的体积。但受到石墨烯本身材料的限制，并不适合制作高功率和高耐压器件。

对于GaN材料的晶体管，电子迁移率约为2000cm²/V·s，远低于石墨烯或其他高迁移率薄膜材料的电子迁移率。对于石墨烯或其他高迁移率薄膜材料晶体管，由于单层石墨烯等没有带隙，所以无法实现关断，即使将栅下的石墨烯等材料刻蚀掉，采用类似Si基MOSFET的反型原理来实现关断，也会由于栅下的迁移率很低无法实现高迁移率的晶体管，无法发挥石墨烯等材料的高迁移率的优势。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种增强型晶体管及其制作方法，能够提高电子迁移率、降低导通电阻、提升工作频率以及降低导通损耗和开关损耗，而且还能够降低了制作的复杂性和成本。