[发明专利]基于沟道阵列的异质结场效应晶体管及其制作方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于沟道阵列的异质结场效应晶体管及其制作方法和应用。所述基于沟道阵列的异质结场效应晶体管包括异质结以及与所述异质结配合的源极、漏极和栅极，异质结中形成有二维电子气，源极与漏极通过二维电子气电连接；所述晶体管还包括形成在所述异质结上的第三半导体，第三半导体能够将分布于其下方的二维电子气耗尽，在所述栅极下方的第三半导体中还形成有至少一第四半导体，并且第四半导体下方的二维电子气被保留而形成沟道。本发明提供的制作方法无需采用刻蚀技术，避免了刻蚀均匀性、重复性以及刻蚀损伤等问题；以H等离子处理或H扩散的方式处理P‑GaN，处理深度可控，不会对下层材料以及二维电子气造成损伤，保证了器件的可靠性。

技术领域

本发明涉及特别涉及一种基于沟道阵列的异质结场效应晶体管及其制作方法，属于半导体射频器件技术领域。

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，从而使异质结具有很多新特性。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的电子，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极电压的调制，在栅极两侧设置源区与漏区，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、较小的短沟道效应以及良好的噪声性能，异质结场效应晶体管在微波电路方面具有非常广泛的应用。

从二十世纪六七十年代开始，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体电子器件成为人们研究的重点，尤其是到了九十年代发现采用Mg注入实现P型GaN材料的外延以来，更是把GaN宽禁带半导体材料和器件的研究推向了崭新的研究阶段，到目前为止，GaN相关材料和器件依旧是国际上的研究热点。GaN体材料的禁带宽度为3.4 eV，击穿场强为3.3 MV/cm，其与AlGaN形成的二维电子气迁移率大于2000 cm2/V•s，载流子面浓度可达1.0E13 /cm2，因而具有AlGaN/GaN异质结构的半导体器件更适合于高频大功率方面的应用。

然而，GaN晶体管的线性最终限制了这些器件在许多应用中的功率密度和效率，因为器件的工作点通常需要回退以满足线性规范。事实上，随着工作频率通过减小栅长而增加到毫米波范围，预计线性会进一步降低。在过去的几年中，提出了几种物理机制来解释GaN HEMT中的非线性行为，包括通道电阻的增加、光学声子发射、界面散射以及在高漏极电流下的自热效应等。有一些报道提供了有助于提高GaN HEMT线性的技术，如MOSHEMT结构与自对准栅极等。基于在高漏极电流水平下增加的通道电阻的理论，提出了鳍状纳米沟道以提高器件跨导和截止频率的线性度。已经证明这种结构能够有效的提高器件的电流驱动能力并且抑制在高输出水平下跨导与截止频率的下降。但是这种结构会因为侧壁金属带来寄生电容，影响器件的频率特性。

现有技术中一种基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管的结构，其通过电子束曝光和干法刻蚀的方法实现纳米沟道，同时制作的环栅金属，使得器件的跨导提高，从而提高了器件的频率特性。但是此方案采用了刻蚀技术，刻蚀均匀性和重复性难把握，同时刻蚀技术导致沟道侧壁的损伤，使得沟道边缘处2DEG耗尽，器件沟道中的电子消失，器件无法正常工作，且侧壁金属使器件的寄生电容增加，影响器件的频率特性。

基于现有技术中的通过电子束曝光与干法刻蚀的方式实现沟道阵列，其所实现的器件存在诸如①阈值电压低；②在栅极施加一定正压情况下会发生导通现象，正向栅漏电大；③栅极正向最大安全工作电压较小，抗干扰能力弱；④沟道宽度只有几十纳米，工艺控制困难等缺点；同时，现有技术中所利用的干法刻蚀技术，刻蚀均匀性和重复性不高，刻蚀技术导致沟道侧壁的损伤，使得沟道边缘处2DEG耗尽，器件沟道中的电子消失，器件无法正常工作。

发明内容