[發明專利]一種新型二維電子氣濃度調控的晶體管結構及制作方法

有效

• 申請號: 202010767834.0
• 申請日: 2020-08-03
• 公開（公告）號: CN111799326B
• 公開（公告）日: 2023-10-13
• 發明（設計）人: 張彥芳;鐘乘煌;何曉;丁盛;高梁
• 申請（專利權）人: 無錫職業技術學院
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L21/335;H01L29/06
• 代理公司: 無錫華源專利商標事務所(普通合伙) 32228
• 代理人: 過顧佳;聶啟新

本發明公開了一種新型二維電子氣濃度調控的晶體管結構及制作方法，涉及半導體技術領域，該新型二維電子氣濃度調控的晶體管結構包括襯底及制作在襯底上的氮化鎵鋁/氮化鎵異質結構，氮化鎵鋁/氮化鎵異質結構界面形成二維電子氣，氮化鎵鋁/氮化鎵異質結構上制作ε相氧化鎵層，本申請利用ε相氧化鎵層的自發極化和外加電場下的極化翻轉行為和特性，對異質結構界面二維電子氣濃度進行調控，可實現異質結構界面二維電子氣濃度的增強或耗盡，不僅有利于提高器件的性能，而且為實現低導通電阻或增強型晶體管提供了新途徑。

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，尤其是一種新型二維電子氣濃度調控的晶體管結構及制作方法。

背景技術

以GaN(氮化鎵)為代表的第三代半導體材料具有禁帶寬度大、電子飽和漂移速率高、介電常數小和擊穿場強高等特點，成為高壓、高功率器件的重要材料，非常適用于制作高頻、高速、高功率、抗輻射、高集成度的電子器件和電路，在電池充電器、智能手機、計算機、服務器、汽車、通訊、照明系統和光伏領域的功率轉換市場發揮著關鍵作用，對國家安全和國民經濟發展具有極為重要的意義。近年來，美國、日本和歐洲等發達國家和地區均將電力電子器件列入重大戰略計劃，我國也明確提出優先推動電力裝備重點領域的發展，大力發展大功率電力電子器件。高電子遷移率晶體管(HEMT)是最重要的功率開關器件之一，由于高功率密度、高擊穿電壓和高開關速度及良好的頻率特性，GaN-HEMTs在電動汽車充電系統、功率開關、5G通信射頻功率放大等方面得到了很好的展示。

GaN-HEMTs優異的器件性能主要源于AlGaN/GaN(氮化鎵鋁/氮化鎵)界面2DEG(二維電子氣)的存在：由于極化不連續和巨大的能帶偏移，AlGaN/GaN界面勢阱處可極化誘導形成高濃度高遷移率的2DEG，使得GaN-HEMTs在高壓、高頻、高功率應用領域表現出優良特性。基于強極化誘導作用和巨大能帶偏移(band offset)，AlGaN/GaN異質結構界面的量子阱內可形成強量子局域化的高濃度二維電子氣系統(2DEG)，即使在不摻雜的情況下，也可感生高達～10¹³cm^-2的2DEG，通常情況下，(20nm)Al_0.3Ga_0.7N/GaN濃度可達約1.5×10¹³cm^-2，載流子飽和遷移率可達1.5×10⁷cm²/VS。

加強對AlGaN/GaN界面2DEG的濃度和遷移率的調控對改善其功率電子器件的性能具有重要意義，尤其是對器件的閾值電壓、導通電阻的大小的調控有重要作用。提高AlGaN/GaN界面2DEG濃度可減小GaN-HEMTs的導通電阻和功耗，目前有些做法會通過增加AlGaN厚度或增大AlGaN中Al組分來實現2DEG面密度增大，但2DEG面密度隨AlGaN勢壘層厚度逐漸飽和，載流子面密度增加有限；使用高Al組分勢壘層提高2DEG濃度時，高Al組分AlGaN材料的生長存在困難，且Al組分增大形成的應力引起AlGaN/GaN界面粗糙度增大，成為抑制高Al異質結構2DEG遷移率的重要因素。

發明內容

本發明人針對上述問題及技術需求，提出了一種新型二維電子氣濃度調控的晶體管結構，本發明的技術方案如下：

一種新型二維電子氣濃度調控的晶體管結構，其特征在于，新型二維電子氣濃度調控的晶體管結構包括：

襯底；

氮化鎵層，氮化鎵層形成在襯底上；

氮化鎵鋁層，氮化鎵鋁層形成在氮化鎵層上形成氮化鎵鋁/氮化鎵異質結構，氮化鎵鋁/氮化鎵異質結構界面形成二維電子氣；

ε相氧化鎵層，ε相氧化鎵層形成在氮化鎵鋁層上。

其進一步的技術方案為，新型二維電子氣濃度調控的晶體管結構還包括：