[发明专利]一种高频氮化镓/石墨烯异质结热电子晶体管的制备方法

说明书

本发明提供一种高频氮化镓/石墨烯异质结热电子晶体管的制备方法，属于半导体器件技术领域。该方法首先在GaN衬底上生长Ⅲ族氮化物三元合金材料形成异质结构作为发射区和第一势垒层，并在异质结上通过光刻技术生长电极；用离子刻蚀技术进行器件绝缘化；转移石墨烯至异质结表面作为基区，通过光刻技术形成基区电极；最后使用PEALD在石墨烯上生长GaN薄膜作为第二势垒层，并在表面形成金属集电区。本发明通过使用PEALD在石墨烯上沉积GaN作为第二势垒层，将石墨烯与GaN基宽禁带半导体材料相结合，发挥两种材料体系的优势，有效提升了热电子晶体管的性能，缩小器件尺寸。该方法热预算低，对石墨烯造成的损伤小，有效避免了器件在生产过程中造成的损伤。

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，特别是指一种高频氮化镓/石墨烯异质结热电子晶体管的制备方法。

背景技术

GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SiC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。然而，GaN基半导体的发展仍有很大空间，人们一直在寻找能够解决GaN半导体材料“高密度位错、工作速度慢、散热性能不良、高集成和互联难度大”这些问题的解决途径。

GaN/AlGaN等氮化镓异质结材料形成的二维电子气的电子密度高，有利于实现大功率，使用AlGaN/GaN异质结制成的高电子迁移率晶体管(HEMT)在高温大功率方面有非常好的应用前景，是目前国际国内的研究热点。

单层石墨烯的厚度仅为0.34nm，是人类目前为止发现的最薄的二维材料。由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

与常规的双极晶体管依靠电子和空穴载流子工作有所不同，热电子晶体管是依靠冷电子(与晶格热平衡的电子)和热电子来工作的。冷电子提供器件中不同层的电导，热电子携带输入信息，并使之在器件中放大。这种器件的典型结构很类似于双极晶体管，也具有发射区(E)、基区(B)和集电区(C)。在热电子晶体管的基区两侧各有一个势垒与发射区和集电区相连,势垒的作用是把冷电子束缚在它们各自的区域内，从发射区注入到基区的热电子具有足够大的能量穿过集电区的势垒，几乎与集电极电压无关，因此这种器件具有很高的输出阻抗R₀。由于工艺和材料的原因，老式的热电子晶体管并没能引起人们的兴趣。老式的热电子晶体管使用金属作为基区，由于金属中热电子的平均自由程非常短，所以存在电子散射问题。显而易见的办法是减薄金属基区厚度，这将导致基区电阻变大同时金属的致密性也无法保障。石墨烯的出现给这个问题带来了转机，石墨烯具有类金属特性，石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm²/(V·s)，这一数值超过了硅材料的10倍，这保证了热电子的准弹道输运，同时单层石墨烯非常薄，仅0.34nm。另外石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，50～500K之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm²/(V·s)左右，保证了器件在恶劣环境下也能正常工作。在工艺上对石墨烯的生产也已成熟，高品质的石墨烯模板可以通过剥离和转移获得，并有相关产品销售，所以石墨烯就成了代替金属基区的理想材料。