基于溝道陣列結構的異質結場效應晶體管的制作方法

基于溝道陣列結構的異質結場效應晶體管的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于溝道陣列結構的異質結場效應晶體管，包括異質結，所述異質結包括由上到下層疊設置的第一、第二半導體層，第一、第二半導體層界面處形成有二維電子氣，第一半導體層上設置有源、漏和柵極，柵極設置于源、漏極之間，且柵極下方的異質結內設有溝道陣列，該溝道陣列由多條并列設置的溝道組成，其中任一溝道的兩端均分別指向源極和漏極，且任一溝道的上端面和兩側壁上均連續覆設用于構成柵極的柵金屬層。本發明采用基于溝道陣列的結構設計，并通過將柵金屬覆蓋在溝道的頂部和兩邊的側壁形成環柵結構，從而增強了對溝道的調制能力，適用于一切基于異質結界面處二維電子氣工作的半導體電子器件，并可同時滿足實際應用的各種要求。
【專利說明】基于溝道陣列結構的異質結場效應晶體管
[0001]本申請是申請號為201110083011.7、申請日為2011年4月2日、題為“基于溝道
陣列結構的異質結場效應晶體管”的分案申請。
【技術領域】
[0002]本發明涉及一種半導體電子器件，尤其涉及一種基于溝道陣列結構的異質結場效應晶體管。
【背景技術】
[0003]半導體異質結是由兩種以上不同半導體材料組成。由于不同半導體材料之間具有不同的物理化學參數(如電子親和勢、能帶結構、介電常數、晶格常數等)，其接觸界面處會產生各種物理化學屬性的失配，從而使異質結具有許多新特性。異質結場效應晶體管的基本結構就是包含一個由寬帶隙材料和窄帶隙材料構成的異質結。在該異質結中，摻N型雜質的寬帶隙材料作為電子的提供層向不摻雜窄帶隙材料提供大量電子，或者由于強極化材料的極化效應引起大量電子，這些電子積累在由兩種材料導帶的能量差形成的三角形勢阱中形成二維電子氣。由于脫離了施主電離中心的散射，而呈現出很高的遷移率。利用高濃度、高遷移率的二維電子氣作為導電溝道，溝道中的電子濃度受到柵電壓的調制，在柵極兩側設置源區和漏區，即形成異質結場效應晶體管。由于其具有非常高的截止頻率和振蕩頻率、高的電流密度、較小的短溝效應以及良好噪聲性能，異質結場效應晶體管在微波低噪聲放大器、高速數字集成電路、高速靜態隨機存儲器、高溫電路、功率放大器以及微波振蕩電路方面具有非常廣的應用。
[0004]目前，已經有非常多的材料系統應用于異質結場效應晶體管，并且已經取得了非常優異的成果。如GaAs基異質結場效應晶體管(HFET)在高頻、超高頻以及微波無線電頻率領域已得到廣泛應用。而在毫米波段，與GaAs相比InP由于其優越的性能受到人們的關注。InP的擊穿電場、電子平均速度均更高，而且在在異質結InAlAs/InGaAs界面處存在較大的導帶不連續性、二維電子氣密度大、溝道中電子遷移率高，所以InP基器件更適于高頻應用。并且，Si/SiGe基和最近非常受關注的GaN基的異質結場效應晶體管等由于其材料以及形成異質結后所具有的優點，同樣也受到人們的關注。
[0005]一般情況下，異質結在沒有外偏壓的情況下就有很高密度的二維電子氣，形成的器件為耗盡型器件。然而，從應用的角度來看，增強型的HEMT具有很多優勢。例如，在高頻PA和LNA應用方面，增強型HEMT可免去負性電壓源的使用，從而降低電路的復雜性和成本；在數字應用方面，耗盡型和增強型HEMT的集成所形成的直接耦合場效應晶體管邏輯(DCFL)可以提供最簡單的電路結構；在功率電子應用方面，由于系統可靠性和成本的要求，通常沒有負電源，因而應用于功率電子系統的核心開關器件必須是增強型(常關型)器件。異質結場效應晶體管一個重要應用是在高頻、高速電路系統中，這就需要更高的器件截止頻率和最高振蕩頻率。
[0006]目前，實現增強型HEMT器件的技術有槽柵技術、氟處理技術和P型柵的所謂GIT技術，這些技術都存在一定的不足之處，尤其是在三族氮化物半導體HEMT方面，比如槽柵技術的工藝控制難度很大，氟處理技術和GIT技術的可靠性還有待驗證。另外，基于普通的HEMT結構，器件的頻率性能的提升主要依賴于減小柵長，現在的技術已經實現了柵長30-50nm的器件，如果需要進一步提高器件的頻率特性，將不可避免的遇到巨大的工藝難度。基于以上原因，我們提出一種新的HEMT器件結構，該結構能夠實現器件閾值電壓大范圍的調整，甚至實現增強型器件，并且能夠在柵長相同的情況下，有效提高器件的頻率性倉泛。

【發明內容】

[0007]鑒于現有技術中的不足，本發明的目的在于提出一種新結構的異質結場效應晶體管，以滿足實際應用的需要。
[0008]為實現上述發明目的，本發明采用了如下技術方案:
一種基于溝道陣列結構的異質結場效應晶體管，包括異質結，所述異質結包括由上到下層疊設置的第一半導體層和第二半導體層，所述第一半導體層和第二半導體層界面處形成有二維電子氣，所述第一半導體層上設置有源極、漏極和柵極，所述柵極設置于源極和漏極之間，其特征在于:
所述柵極下方的異質結內形成有一條以上溝道，且所述電子溝道兩端分別指向源極和漏極。
[0009]進一步的講，所述柵極下方的異質結內設有由復數條并列設置的溝道組成的溝道陣列。
[0010]所述溝道的上端面和兩側壁上連續覆設用于構成柵極的柵金屬層。
[0011]優選的，所述溝道的上端面和兩側壁與柵金屬層之間還設置有絕緣層或氧化層。
[0012]所述溝道的寬度在Inm?10 μ m。
[0013]所述柵金屬層自所述溝道兩端之間的一選定位置延展至覆蓋溝道靠近源極或漏極的一端邊緣部上。
[0014]所述柵金屬層分布在所述溝道的兩端之間。
[0015]所述柵極與異質結之間形成肖特基接觸、金屬-絕緣層-半導體接觸或者金屬-氧化層-半導體接觸。
[0016]所述異質結場效應晶體管還包括場板結構。
[0017]所述異質結場效應晶體管中采用平面隔離或臺面隔離。
[0018]一種基于溝道陣列結構的異質結場效應晶體管，包括異質結，所述異質結包括由上到下層疊設置的第一半導體層和第二半導體層，所述第一半導體層和第二半導體層界面處形成有二維電子氣，所述第一半導體層上設置有源極、漏極和柵極，所述柵極設置于源極和漏極之間，其特征在于:
所述柵極下方的異質結內形成有一條以上溝道，所述溝道兩端分別指向源極和漏極，且所述溝道的上端面和兩側壁上連續覆設用于構成柵極的柵金屬層；
所述第一半導體層和第二半導體層分別為由至少一種半導體材料形成的層狀結構或由兩種以上半導體材料或其組合形成的疊層結構。
[0019]所述溝道為復數條，其并列設置形成溝道陣列，且每一溝道寬度在Inm?ΙΟμπι。[0020]優選的，所述第一半導體層為GaN、AlxGa1^xN, AIN、InxAH InxAlyGa1^yN,InxAl!_xAs> InxGa1^xAs> AlxGa1^xAs和InxAlhSb中的任意一種材料形成的層狀結構或任意兩種以上材料或其組合形成的疊層結構，其中，O≤X ≤ 1,0 ≤Y≤1，且O≤x+Y≤I。
[0021]優選的，所述第二半導體層為 GaN、AlxGa1^xN, AIN、InxAH InxAlyGa1^yN,InxAl^xAs> InxGa1^xAs>AlxGa1^xAs和InP中的任意一種材料形成的層狀結構或任意兩種以上材料或其組合形成的疊層結構，其中，O≤X ≤ 1,0≤ Y≤1，且≤x+Y≤。
[0022]當然，前述第一半導體層和第二半導體層亦可由除上述材料之外的，本領域技術人員習知的其他半導體材料形成。
[0023]該新結構異質結場效應晶體管的工作原理為:
對于單個溝道來說，柵金屬覆蓋在溝道上。柵極對溝道的調制除了上面的來自垂直方向上的調制，還有來自側墻兩側的調制，因為當溝道寬度減小時，來自側墻兩側的柵調控不可忽略，從而形成環柵效應。這種環柵結構可以帶來以下幾點影響:
(1)環柵結構增加的側墻的柵調制，將增大器件的調控能力，從而帶來器件跨導的增加，同時也帶來柵電容的增加。通過工藝調整，使跨導增加量大于柵電容的增加，則可帶來器件截止頻率的提高；
(2 )柵控能力的增加，在相比于傳統器件在施加同樣柵壓的情況下，溝道結構將耗盡更多的二維電子氣，引起器件閾值電壓的正向漂移；
(3)這種環柵結構使每個溝道的電場更加均勻，在這種均勻電場和高電場的情況下，溝道內的電子可以獲得更大的能量，這可能使溝道內的聲學聲子和谷間聲子散射成為主要散射機制，而這種散射對晶格溫度有非常弱的敏感性。因此，在高溫下新結構異質結場效應晶體管可以保持穩定的漏端飽和電流。
[0024]進一步分析，由于溝道的引入，單條溝道的電流相比于傳統器件要小得多，所以散熱要比傳統器件更好，因此可以有效的抑制傳統異質結場效應晶體管中存在的自熱效應。在一些強極化材料的異質結中(如GaN材料體系)，溝道內的二維電子氣主要是由極化效應(自發極化和壓電極化)引起的。而在溝道邊緣處，由于應力釋放，壓電極化效應消失，溝道邊緣的界面處由極化效應引起的這部分二維電子氣也將消失，從而使器件的閾值電壓進一步往正向漂移。最后，當做上柵極時，由于柵金屬與半導體之間的功函數差，在柵極下方、溝道邊緣處的二維電子氣將被進一步耗盡，如果沒有柵極的器件的閾值電壓已經在負向非常接近于零值，柵金屬的施加將可能使器件的閾值電壓漂變成正值，從而形成增強型異質結場效應晶體管。
[0025]該新結構場效應晶體管可以采用傳統的半導體微加工技術完成，可以使用的設備包括光刻系統(如電子束光刻、離子束光刻、浸入式光刻、分布式曝光以及光學曝光等設備)、納米壓印、刻蝕設備(RIE、ICP等)、離子注入設備等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1a是實施例1中基于溝道陣列結構的肖特基柵異質結場效應晶體管的三維結構示意圖；
圖1b是實施例1中基于溝道陣列結構的肖特基柵異質結場效應晶體管的俯視圖；
圖1C是實施例1中基于溝道陣列結構的肖特基柵異質結場效應晶體管的局部放大圖；
圖2是圖1中肖特基柵的溝道陣列的剖面結構示意圖；
圖3是實施例2中金屬-絕緣層-半導體(MIS)接觸的溝道陣列的剖面結構示意圖； 圖4是實施例3中單條溝道的肖特基柵異質結場效應晶體管三維結構示意圖；
圖5是實施例4中柵金屬與溝道陣列邊緣靠近源極一端交疊的異質結場效應晶體管的三維結構示意圖；
圖6是實施例5中柵金屬與溝道陣列邊緣靠近漏極一端交疊的異質結場效應晶體管的三維結構示意圖。
【具體實施方式】
[0027]本發明的異質結場效應晶體管，其核心設計思想是采用溝道陣列結構，其基本結構如圖1a?Ic所示。在異質結場效應晶體管的源漏之間、柵極下面制作出溝道陣列，溝道陣列的結構如圖2所示，是由一個或多個溝道并聯形成。
[0028]概括的講，實現本發明的技術方案為:
基于溝道陣列結構的新結構異質結場效應晶體管，在傳統異質結場效應晶體管結構的基礎上引入了溝道陣列結構，所述溝道陣列是由位于源漏之間、柵極下方的一個或多個溝道并聯形成。
[0029]具體而言，所述的溝道陣列結構適用于一切基于異質結界面處二維電子氣工作的半導體電子器件。
[0030]所述異質結場效應晶體管的隔離可以采用平面隔離或臺面隔離。
[0031]優選的，所述的所述溝道陣列中溝道寬度可以從幾個納米到幾個微米，即Inm?10 μ m的范圍。
[0032]所述溝道陣列中溝道的平面幾何形狀為規則形狀或非規則形狀。
[0033]所述的溝道陣列，可以是單條溝道，也可以是多條溝道。
[0034]所述的溝道陣列中，并列的溝道尺寸為相同尺寸或非相同尺寸；并列的溝道形狀為相同形狀或非相同形狀。
[0035]所述的柵金屬覆蓋在溝道陣列上。
[0036]所述的柵金屬與溝道陣列邊緣靠近源端或漏端的一邊交疊，或者不跟溝道陣列的邊緣交疊。
[0037]所述的柵金屬的形狀為普通、T形或V形柵；柵金屬尺寸為亞微米或更大尺寸。
[0038]所述的柵金屬與半導體形成的接觸可以是肖特基接觸，或者為了進一步減小柵泄漏電流和增加器件的擊穿電壓，也可以采用金屬-絕緣層-半導體接觸或者金屬-氧化層-半導體接觸。
[0039]所述的異質結場效應晶體管結構中可以沒有場板，或者也可加入場板以提高器件的擊穿電壓，提高器件的性能。
[0040]需要說明的是，本發明中所述的溝道系本領域技術人員所習知的導電溝道，其實際上是在位于所述柵極下方的異質結內形成的兩端分別指向源極和漏極的條帶，該條帶兩側分別設有自第一半導體層深入第二半導體層的槽，同時該條帶上端面及兩側壁上連續覆設柵極金屬層。而前述的溝道陣列，即是由平行分布的若干條帶構成的陣列結構。[0041]為使本發明異質結場效應晶體管的實質結構特征、實現方法及有益效果更易于理解，以下結合若干較佳實施例及其附圖對本發明技術方案作進一步非限制性的詳細說明。
[0042]實施例1
參閱圖la，該基于溝道陣列結構的肖特基柵異質結場效應晶體管由異質結外延材料(包括半導體I和半導體2)、源極3、漏極4、溝道陣列5以及柵極6組成。其中，組成異質結的半導體I和半導體2可以是可以在異質結處形成二維電子氣7的任意半導體材料。溝道內的二維電子氣7通過柵極6進行調整控，從而控制器件處于截止區、線性區以及飽和區。溝道陣列5由多個溝道8并聯而成，位于源極3和漏極4之間、柵極6下方的有源區內。在本實施例中，柵極6處于溝道陣列5之間，這可在圖1b和圖1c中清晰的看出。而由圖2可知，柵金屬6覆蓋在溝道8頂部和兩側，形成環柵結構對異質結溝道進行調控。按照本實施例所述結構，以AlGaN/GaN HEMT為例，采用溝道8寬度為70nm，共1000條溝道并聯，柵極6金屬厚度為300nm,柵極6長度為300nm,柵極6和源極3間距2Mm,柵極6和漏極4間距3Mm的結構設計，相比于傳統結構的器件，可以實現閾值電壓為0.15V增強型的AlGaN/GaNHEMT，并且在器件的跨導增加五倍，寄生柵電容增加兩倍的情況下，可以使器件的截止頻率至少提高兩倍。
[0043]實施例2
參閱圖3，該基于溝道陣列結構的絕緣柵異質結場效應晶體管包括半導體1、半導體2、絕緣介質層9以及柵極6。異質結界面處存在高密度的二維電子氣7。絕緣介質層覆蓋在溝道陣列5上方，最上面覆蓋的是柵金屬以調制溝道內的二維電子氣。其中，絕緣介質層可以是氧化物(如二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鉿等)，也可以是非氧化物介質層(如氮化硅、氮化鋁等)。根據本實施例，以AlGaN/GaN HEMT為例，在柵極6金屬與AlGaN之間采用ALD的方式淀積一層厚度為10 nm的Al2O3，可以使柵泄漏電流降低四個數量級，有效的增強了柵極對溝道的控制能力。
[0044]實施例3
參閱圖4，該單條溝道異質結場效應晶體管包含半導體1、半導體2、源極3、漏極4、溝道8以及柵極6。在異質結界面處存在高密度的二維電子氣7。該器件由單條溝道8組成，柵極6覆蓋在溝道8的兩側，對異質界面處的二維電子氣7進行調制。源極3接地，漏極4加正向電壓使溝道電子從源極3流向漏極4。按照本實施例，以AlGaN/GaN異質結為例，溝道8的寬度為500 nm，柵極6金屬厚度為300 nm，柵極6長度為300 nm，得到器件在Vgs=L 5V時的飽和漏電流為850mA/mm，最大峰值跨導為195mS/mm，相比于傳統AlGaN/GaN HEMT器件在Vgs=L 5V時的飽和漏電流570mA/mm，最大峰值跨導為155mS/mm。器件的飽和漏電流和最大峰值跨導都有所增加。
[0045]實施例4
參閱圖5，本實施例中，柵極10與溝道陣列5邊緣靠近源極3的一邊交疊。整個晶體管由異質結外延材料(包括半導體I和半導體2)、源極3、漏極4、溝道陣列5以及柵極7組成。柵極7沒有處在溝道陣列5之間，而是一部分覆蓋住溝道陣列5，而另一部分覆蓋在溝道陣列5與源極3之間的有源區上。從而形成柵極7與溝道陣列5邊緣靠近源極3的一邊相交疊的結構。按照本實施例，以AlGaN/GaN HEMT器件為例，溝道陣列5中單條溝道8的寬度為200nm，溝道8長度為lMm，共1000條，柵極10金屬厚度為300nm，柵極10長度為500nm，覆蓋在溝道陣列5上的柵極10金屬部分的長度為300nm。溝道陣列器件相比于傳統的器件的跨導增加五倍，寄生柵電容增加兩倍的情況下，可以使器件的截止頻率至少提高兩倍。
[0046]實施例5
參閱圖6，本實施例中柵極11與溝道陣列5邊緣靠近漏極4的一邊交疊。整個晶體管由異質結外延材料(包括半導體I和半導體2)、源極3、漏極4、溝道陣列5以及柵極11組成。柵極11沒有處在溝道陣列5之間，而是一部分覆蓋住溝道陣列5，而另一部分覆蓋在溝道陣列5與漏極4之間的有源區上。從而形成柵極11與溝道陣列5邊緣靠近漏極4的一邊相交疊的結構。按照此實施例，以AlGaN/GaN HEMT器件為例，溝道陣列中單條溝道8的寬度為200nm，溝道8長度為IMm，共1000條，柵極11金屬厚度為300nm，柵極11長度為500nm，覆蓋在溝道陣列5上的柵極11金屬部分的長度為300nm。溝道陣列器件相比于傳統的器件的跨導增加五倍，寄生柵電容增加兩倍的情況下，可以使器件的截止頻率至少提高兩倍。
[0047]以上分別以溝道陣列結構為基礎的肖特基柵的異質結場效應晶體管(實施例1、實施例4以及實施例5)、單條溝道的場效應晶體管(實施例3)以及絕緣柵的場效應晶體管(實施例2)為例對本發明的技術方案進行了說明。而在實際設計中，溝道陣列結構可以應用于有場板或沒有場板的異質結場效應晶體管；對應每個溝道，并列的溝道尺寸可以為相同尺寸或非相同尺寸；形狀可以為相同形狀或非相同形狀。因此，上述實施例僅為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于溝道陣列結構的異質結場效應晶體管，包括異質結，所述異質結包括由上到下層疊設置的第一半導體層和第二半導體層，所述第一半導體層和第二半導體層界面處形成有二維電子氣，所述第一半導體層上設置有源極、漏極和柵極，所述柵極設置于源極和漏極之間，其特征在于: 所述柵極下方的異質結內設有溝道陣列，所述溝道陣列由復數條并列設置的寬度為Inm~10 μ m的溝道組成，其中任一溝道的兩端均分別指向源極和漏極，且任一溝道的上端面和兩側壁上均連續覆設用于構成柵極的柵金屬層。
2.根據權利要求1所述的基于溝道陣列結構的異質結場效應晶體管，其特征在于所述第一半導體層和第二半導體層具有由至少一種半導體材料形成的層狀結構或由兩種以上半導體材料或其組合形成的疊層結構。
3.根據權利要求1-2中任一項所述的基于溝道陣列結構的異質結場效應晶體管，其特征在于所述溝道的上端面和兩側壁與柵金屬層之間還設置有絕緣層或氧化層。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的基于溝道陣列結構的異質結場效應晶體管，其特征在于所述柵金屬層自所述溝道兩端之間的一選定位置延展至覆蓋溝道靠近源極或漏極的一端邊緣部上。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的基于溝道陣列結構的異質結場效應晶體管，其特征在于所述柵金屬層分布在所述溝道的兩端之間。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的基于溝道陣列結構的異質結場效應晶體管，其特征在于所述柵極與異質結之間形成肖特基接觸、金屬-絕緣層-半導體接觸或者金屬-氧化層-半導體接觸。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的基于溝道陣列結構的異質結場效應晶體管，其特征在于所述異質結場效應 晶體管還包括場板結構。
8.根據權利要求1-7中任一項所述的基于溝道陣列結構的異質結場效應晶體管，其特征在于所述異質結場效應晶體管中采用平面隔離或臺面隔離。
9.根據權利要求1-8中任一項所述的基于溝道陣列結構的異質結場效應晶體管，其特征在于所述第一半導體層為 GaN、AlxGa1^xN, AIN、InxAl1^xN, InxAlyGa1^yN, InxAl1^xAs,InxGa1^xAs>AlxGa1^xAs和InxAlhSb中的任意一種材料形成的層狀結構或任意兩種以上材料或其組合形成的疊層結構，其中，O≤X ≤ 1,0 ≤ Y≤1，且O≤x+Y≤I。
10.根據權利要求1-9中任一項所述的基于溝道陣列結構的異質結場效應晶體管，其特征在于所述第二半導體層為 GaN、AlxGa1^xN, AIN、InxAl1^xN, InxAlyGa1^yN, InxAl1^xAs,InxGahAsJlxGahAs和InP中的任意一種材料形成的層狀結構或任意兩種以上材料或其組合形成的疊層結構，其中，O≤X≤1，0≤Y≤1，且O≤x+Y ( I。
【文檔編號】H01L29/778GK103872121SQ201410113967
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2011年4月2日 優先權日:2011年4月2日
【發明者】蔡勇, 劉勝厚, 張寶順 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所