[发明专利]一种高迁移率晶体管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高迁移率晶体管及其制备方法，属于功能性电子器件领域。该发明利用高迁移率的双层或三层石墨烯薄膜作为电子输运沟道，其导电特性受到应力和掺杂特性调制，当在栅端加电压调节沟道中的电流，从而实现了HEMT器件的功能。且由于双层或三层石墨烯薄膜导电性随掺杂而改变，因此在同一块GaN上能够同时制作N型HEMT和P型HEMT，N型HEMT和P型HEMT构成数字逻辑电路的反相器,实现射频和微波频段的数字逻辑运算的功能。

技术领域

本发明属于功能性电子器件领域，具体是高电子迁移率的双层石墨烯结构作为电子输运沟道和由此结构衍生的高迁移率晶体管(HEMT)。

背景技术

高电子迁移率晶体管(HEMT)是一利用具有很高迁移率的二维电子气来工作的场效应晶体管，这种器件及其集成电路能够很好的应用于超高频(毫米波)、超高速领域。在常规的HEMT器件中，由于异质结接触有较大的导带不连续差值，界面处的窄禁带半导体一侧形成三角量子阱，宽禁带半导体侧会形成势垒，限制三角量子阱中的自由电子在垂直异质结接触面方向的移动，故称此量子阱为二维电子气(2 DimensionalElectron Gas)。2-DEG是HEMT中电子输运的沟道.由于沟道所在的半导体通常是不掺杂的，沟道中的自由移动电子远离掺杂的半导体中电离杂质的散射，载流子能获得很高的电子迁移率。当今的HEMT器件通常有GaAs基、GaN基、InP基三大系化合物半导体构建，已经在射频和微波领域发挥重大作用。由于石墨烯在狄拉克点下零禁带半导体，电子迁移率非常高。在双层石墨烯结构，对称性受到破坏，在狄拉克点处，零禁带分裂出导带与价带。在氧化物半导体-石墨烯-宽禁带半导体构建的三明治结构的应力作用下，导带与价带分离更大的趋势。应力可以改变石墨烯的电子特性并产生带隙。高迁移率的石墨烯作为电子或空穴的输运沟道，由此构建三明治结构的HEMT器件。根据三明治结构的材料生长的耐温梯度,筛选不同的宽禁带半导体材料和金属氧化物半导体材料，构建HEMT器件的材料组合。

GaN系宽禁带半导体，耐高温，耐化学腐蚀的新一代的宽禁带半导体，已经实现了蓝色和绿色发光二极管和蓝色半导体激光器以及HEMT。AlGaN/GaN HEMT已开始应用到微波领域。但在数字电路领域还缺乏成熟类似CMOS的互补器件构建的反相器。而二维结构石墨烯的能够与GaN基HEMT工艺兼容，结合石墨烯拥有高迁移率优良的电学性能和GaN系宽禁带半导体特性，制作HEMT.拓展HEMT器件在数字领域的射频和微波波段的集成电路应用。活跃的金属原子,易被氧化成氧化物宽禁带半导体.氧化锌(ZnO)是一种具有广泛用途的新型II-VI族多功能半导体材料，它的室温禁带宽度为3.37eV,具有良好电学和光学特性，是制备半导体发光器和半导体激光器的材料。常规条件下制备出的ZnO都是纤锌矿结构，呈六角对称性，此配位结构是典型的sp3轨道杂化的特征，ZnO半导体材料的极性介于离子性和共价性半导体之间，因非中心对称性，而具有压电和热电特性。ZnO可以作为栅电极的肖特基电极接触层。In₂O₃氧化物半导体已经在薄膜晶体管上获得应用。