基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管制造技术

本发明专利技术涉及一种基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管，包括异质结，所述异质结包括由上到下层叠设置的第一、第二半导体层，第一、第二半导体层界面处形成有二维电子气，第一半导体层上设置有源、漏和栅极，栅极设置于源、漏极之间，且栅极下方的异质结内设有沟道阵列，该沟道阵列由多条并列设置的沟道组成，其中任一沟道的两端均分别指向源极和漏极，且任一沟道的上端面和两侧壁上均连续覆设用于构成栅极的栅金属层。本发明专利技术采用基于沟道阵列的结构设计，并通过将栅金属覆盖在沟道的顶部和两边的侧壁形成环栅结构，从而增强了对沟道的调制能力，适用于一切基于异质结界面处二维电子气工作的半导体电子器件，并可同时满足实际应用的各种要求。

Heterojunction field effect transistor based on channel array structure

The invention relates to a hetero junction field effect transistor channel array based on the structure, including the heterojunction, the heterojunction consists of the first and second semiconductor layer stack set, the first and the second semiconductor layer formed at the interface of two-dimensional electron gas, the first semiconductor layer is arranged on the active, drain and gate, gate set in the source, drain, and heterojunction under the gate is arranged in the channel array, the channel array consists of a plurality of parallel set channel, which at any channel are pointing to the source and drain, and a channel on the end and side walls are covered with continuous used to form a gate metal layer gate. The invention adopts the structure design based on channel array, and through the gate metal cover at the top of the channel and on both sides of the side wall of the ring gate structure, thereby enhancing the ability of modulation channel, applicable to all semiconductor electronic devices heterojunction interface based on the work of the two-dimensional electron gas, and can satisfy the needs of all kinds of the actual application requirements.

【技术实现步骤摘要】
基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管本申请是申请号为201110083011.7、申请日为2011年4月2日、题为“基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管”的分案申请。
本专利技术涉及一种半导体电子器件，尤其涉及一种基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管。
技术介绍
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，从而使异质结具有许多新特性。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形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电压的调制，在栅极两侧设置源区和漏区，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、较小的短沟效应以及良好噪声性能，异质结场效应晶体管在微波低噪声放大器、高速数字集成电路、高速静态随机存储器、高温电路、功率放大器以及微波振荡电路方面具有非常广的应用。目前，已经有非常多的材料系统应用于异质结场效应晶体管，并且已经取得了非常优异的成果。如GaAs基异质结场效应晶体管（HFET）在高频、超高频以及微波无线电频率领域已得到广泛应用。而在毫米波段，与GaAs相比InP由于其优越的性能受到人们的关注。InP的击穿电场、电子平均速度均更高，而且在在异质结InAlAs/InGaAs界面处存在较大的导带不连续性、二维电子气密度大、沟道中电子迁移率高，所以InP基器件更适于高频应用。并且，Si/SiGe基和最近非常受关注的GaN基的异质结场效应晶体管等由于其材料以及形成异质结后所具有的优点，同样也受到人们的关注。一般情况下，异质结在没有外偏压的情况下就有很高密度的二维电子气，形成的器件为耗尽型器件。然而，从应用的角度来看，增强型的HEMT具有很多优势。例如，在高频PA和LNA应用方面，增强型HEMT可免去负性电压源的使用，从而降低电路的复杂性和成本；在数字应用方面，耗尽型和增强型HEMT的集成所形成的直接耦合场效应晶体管逻辑（DCFL）可以提供最简单的电路结构；在功率电子应用方面，由于系统可靠性和成本的要求，通常没有负电源，因而应用于功率电子系统的核心开关器件必须是增强型（常关型）器件。异质结场效应晶体管一个重要应用是在高频、高速电路系统中，这就需要更高的器件截止频率和最高振荡频率。目前，实现增强型HEMT器件的技术有槽栅技术、氟处理技术和p型栅的所谓GIT技术，这些技术都存在一定的不足之处，尤其是在三族氮化物半导体HEMT方面，比如槽栅技术的工艺控制难度很大，氟处理技术和GIT技术的可靠性还有待验证。另外，基于普通的HEMT结构，器件的频率性能的提升主要依赖于减小栅长，现在的技术已经实现了栅长30-50nm的器件，如果需要进一步提高器件的频率特性，将不可避免的遇到巨大的工艺难度。基于以上原因，我们提出一种新的HEMT器件结构，该结构能够实现器件阈值电压大范围的调整，甚至实现增强型器件，并且能够在栅长相同的情况下，有效提高器件的频率性能。
技术实现思路
鉴于现有技术中的不足，本专利技术的目的在于提出一种新结构的异质结场效应晶体管，以满足实际应用的需要。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管，包括异质结，所述异质结包括由上到下层叠设置的第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层界面处形成有二维电子气，所述第一半导体层上设置有源极、漏极和栅极，所述栅极设置于源极和漏极之间，其特征在于：所述栅极下方的异质结内形成有一条以上沟道，且所述电子沟道两端分别指向源极和漏极。进一步的讲，所述栅极下方的异质结内设有由复数条并列设置的沟道组成的沟道阵列。所述沟道的上端面和两侧壁上连续覆设用于构成栅极的栅金属层。优选的，所述沟道的上端面和两侧壁与栅金属层之间还设置有绝缘层或氧化层。所述沟道的宽度在1nm～10μm。所述栅金属层自所述沟道两端之间的一选定位置延展至覆盖沟道靠近源极或漏极的一端边缘部上。所述栅金属层分布在所述沟道的两端之间。所述栅极与异质结之间形成肖特基接触、金属-绝缘层-半导体接触或者金属-氧化层-半导体接触。所述异质结场效应晶体管还包括场板结构。所述异质结场效应晶体管中采用平面隔离或台面隔离。一种基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管，包括异质结，所述异质结包括由上到下层叠设置的第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层界面处形成有二维电子气，所述第一半导体层上设置有源极、漏极和栅极，所述栅极设置于源极和漏极之间，其特征在于：所述栅极下方的异质结内形成有一条以上沟道，所述沟道两端分别指向源极和漏极，且所述沟道的上端面和两侧壁上连续覆设用于构成栅极的栅金属层；所述第一半导体层和第二半导体层分别为由至少一种半导体材料形成的层状结构或由两种以上半导体材料或其组合形成的叠层结构。所述沟道为复数条，其并列设置形成沟道阵列，且每一沟道宽度在1nm～10μm。优选的，所述第一半导体层为GaN、AlxGa1-xN、AlN、InxAl1-xN、InxAlyGa1-x-yN、InxAl1-xAs、InxGa1-xAs、AlxGa1-xAs和InxAl1-xSb中的任意一种材料形成的层状结构或任意两种以上材料或其组合形成的叠层结构，其中，0≤x≤1，0≤Y≤1，且0≤x+Y≤1。优选的，所述第二半导体层为GaN、AlxGa1-xN、AlN、InxAl1-xN、InxAlyGa1-x-yN、InxAl1-xAs、InxGa1-xAs、AlxGa1-xAs和InP中的任意一种材料形成的层状结构或任意两种以上材料或其组合形成的叠层结构，其中，0≤x≤1，0≤Y≤1，且0≤x+Y≤1。当然，前述第一半导体层和第二半导体层亦可由除上述材料之外的，本领域技术人员习知的其他半导体材料形成。该新结构异质结场效应晶体管的工作原理为：对于单个沟道来说，栅金属覆盖在沟道上。栅极对沟道的调制除了上面的来自垂直方向上的调制，还有来自侧墙两侧的调制，因为当沟道宽度减小时，来自侧墙两侧的栅调控不可忽略，从而形成环栅效应。这种环栅结构可以带来以下几点影响：（1）环栅结构增加的侧墙的栅调制，将增大器件的调控能力，从而带来器件跨导的增加，同时也带来栅电容的增加。通过工艺调整，使跨导增加量大于栅电容的增加，则可带来器件截止频率的提高；（2）栅控能力的增加，在相比于传统器件在施加同样栅压的情况下，沟道结构将耗尽更多的二维电子气，引起器件阈值电压的正向漂移；（3）这种环栅结构使每个沟道的电场更加均匀，在这种均匀电场和高电场的情况下，沟道内的电子可以获得更大的能量，这可能使沟道内的声学声子和谷间声子散射成为主要散射机制，而这种散射对晶格温度有非常弱的敏感性。因此，在高温下新结构异质结场效应晶体管可以保持稳定的漏端饱和电流。进一步分析本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管，包括异质结，所述异质结包括由上到下层叠设置的第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层界面处形成有二维电子气，所述第一半导体层上设置有源极、漏极和栅极，所述栅极设置于源极和漏极之间，其特征在于：所述栅极下方的异质结内设有沟道阵列，所述沟道阵列由复数条并列设置的宽度为1nm～10μm的沟道组成，其中任一沟道的两端均分别指向源极和漏极，且任一沟道的上端面和两侧壁上均连续覆设用于构成栅极的栅金属层，所述栅金属层自所述沟道两端之间的一选定位置延展至覆盖沟道靠近源极或漏极的一端边缘部上。

【技术特征摘要】
1.一种基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管，包括异质结，所述异质结包括由上到下层叠设置的第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层界面处形成有二维电子气，所述第一半导体层上设置有源极、漏极和栅极，所述栅极设置于源极和漏极之间，其特征在于：所述栅极下方的异质结内设有沟道阵列，所述沟道阵列由复数条并列设置的宽度为1nm～10μm的沟道组成，其中任一沟道的两端均分别指向源极和漏极，且任一沟道的上端面和两侧壁上均连续覆设用于构成栅极的栅金属层，所述栅金属层自所述沟道两端之间的一选定位置延展至覆盖沟道靠近源极或漏极的一端边缘部上。2.根据权利要求1所述的基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管，其特征在于所述第一半导体层和第二半导体层具有由至少一种半导体材料形成的层状结构或由两种以上半导体材料或其组合形成的叠层结构。3.根据权利要求1-2中任一项所述的基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管，其特征在于所述沟道的上端面和两侧壁与栅金属层之间还设置有绝缘介质层。4.根据权利要求1-2中任一项所述的基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管，其特征在于所述栅极与异质结之间形成肖特基接触或者金属-...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡勇，刘胜厚，张宝顺，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32