宽禁带半导体集成碳基材料的电力电子芯片及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种宽禁带半导体集成碳基材料的电力电子芯片及制备方法，涉及半导体电子器件技术领域，电力电子芯片包括基底、Si3N4层、石墨烯层、合金区、外延区、S/D电极区和G电极；Si3N4层和外延区位于基底上方，且分别与基底连接；合金区嵌入外延层，Si3N4层位于外延区的两侧，且与外延区连接；石墨烯层位于合金区和Si3N4层上方，且与合金区和Si3N4层连接；S/D电极区位于石墨烯层上方，且与石墨烯层连接；G电极位于外延区上方，且与外延区连接。通过生长石墨烯作为导电通道代替传统的异质界面2DEG,实现超高速的电子迁移和导电速率，通过金属半导体接触的肖特基势垒作为整个芯片的栅极G的控制开关，构成全新的具有优良特性的高电子迁移率电力电子芯片。高电子迁移率电力电子芯片。高电子迁移率电力电子芯片。

【技术实现步骤摘要】
宽禁带半导体集成碳基材料的电力电子芯片及制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体电子器件
，更具体的说是涉及一种宽禁带半导体集成碳基材料的电力电子芯片及制备方法。

技术介绍

[0002]近年来发展的氮化镓(GaN/AlN)为代表的第三代宽禁带半导体，以其宽的禁带常数、更高的电子迁移率、抗辐射能力强、击穿电场强度好、耐高温等特点，在半导体领域已经取得广泛应用,其芯片具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高等特性，但随着应用深入前进，对高电子迁移率芯片的性能和功能要求越来越高，传统的一些设计结构和材料性能面临很大挑战。
[0003]传统的高电子迁移率晶体管(HEMT)采用两个异质结材料，一般为化合物半导体，利用两种材料的能带差异会在界面靠近窄带一侧形成二维电子气(2DEG),二维电子气远离耗尽层区的散射原子，在界面深的势阱中二维方向运动，具有很高的电子迁移率，通过在器件表面制作源极、栅极和漏极可以通过栅极来控制2DEG的密度和移动导通。从而实现整个器件的电流和开关。目前传统HEMT基于异质结材料，由于材料生长难度，会造成晶格缺陷，影响器件性能，尤其是第三代宽禁带半导体，想实现更高的材料质量，非常困难,影响器件电压电流特性和截止频率及器件可靠性,并且散热问题也很严重；此外传统高电子迁移率器件的2DEG虽然迁移率已经相对很高，但是受材料本身限制和自身传输特性限制其载流子的传输上限速率，因此，从材料本身突破将是重大的解决方法。
[0004]而想要实现高的抗电压和高的迁移率，必须使用禁带宽度很大的化合物半导体和禁带宽度差异大的不同材料，需要更加复杂和精细的生长方法和制作成本以及材料成本，材料的生长复杂特性决定了其较高的背景载流子浓度，使得漏电通道大增，通过掺杂深受主杂质方式还会增加工艺的复杂性和不稳定性，很难把控，不利于批量化，此外高禁带宽度材料会出现低热导性，而且结构越是复杂，制作的难度和成本大量增加，上述原因限制了其更大的应用场景和市场。
[0005]目前研究和应用表明，石墨烯(Graphene)是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料具有优异的光学、电学、力学特性，石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/(V
·
s)，在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm2/(V
·
s)。此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。此外，石墨烯中电子载体和空穴载流子的半整数量子霍尔效应可以通过电场作用改变化学势而被观察到，石墨烯中的载流子遵循一种特殊的量子隧道效应，在碰到杂质时不会产生背散射，这就成就了石墨烯很高的载流子迁移率，此外石墨烯具有非常好的热传导性能，能在大电流电压下，表现出优良特性。
[0006]因此，如何利用碳基材料提高宽禁带半导体的性能是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术提供了一种宽禁带半导体集成碳基材料的电力电子芯片，采用宽禁带半导体材料GaN/AlN基底，通过生长石墨烯材料作为导电通道代替传统的异质界面2DEG,实现超高速的电子迁移和导电速率，通过传统GaN/AlGaN(或AlInN)的材料界面形成的2DEG和金属半导体接触的肖特基势垒作为整个芯片的栅极G来控制开关，通过半导体工艺现实不同材料的生长集成，构成全新的具有优良特性的高电子迁移率电力电子芯片。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种宽禁带半导体集成碳基材料的电力电子芯片，包括基底、Si3N4层、石墨烯层、合金区、外延区、S/D电极区和G电极；
[0010]所述Si3N4层和所述外延区位于所述基底上方，且分别与所述基底连接；
[0011]所述合金区嵌入所述外延区，所述Si3N4层位于所述外延区的两侧，且与所述外延区连接；
[0012]所述石墨烯层位于所述合金区和所述Si3N4层上方，且与所述合金区和所述Si3N4层连接；
[0013]所述S/D电极区位于所述石墨烯层上方，且与所述石墨烯层连接；
[0014]所述G电极位于所述外延区上方，且与所述外延区连接。
[0015]优选的，还包括保护层，所述保护层设置在所述S/D电极区和所述G电极以外的所述石墨烯层、所述合金区和所述外延区的上方，且包覆所述石墨烯层。
[0016]优选的，所述外延区包括外延层一和外延层二；所述外延层一位于所述基底上方，与所述Si3N4层连接，所述Si3N4层包覆在所述外延层一的两侧；所述外延层二的宽度小于所述外延层一，位于所述外延层一的中心上方。保护层位于所述外延层二的侧边上方；外延层一和外延层二之间形成2DEG。
[0017]优选的，所述合金区包括合金层一和合金层二；所述合金层一和所述合金层二位于所述外延层一的上方，且分别位于所述外延层二的两侧，所述Si3N4层包覆在所述合金层一和所述合金层二的外侧，所述外延层二通过所述合金层一与所述Si3N4层、所述石墨烯层连接，通过所述合金层二与所述Si3N4层、所述石墨烯层连接。
[0018]优选的，所述S/D电极区包括S电极和D电极；所述S电极和D电极分别位于所述石墨烯层上方两侧。
[0019]优选的，所述基底材料为GaN或AIN。
[0020]优选的，所述合金层一和所述合金层二均为由Ni/Au组合的金属合金层。
[0021]优选的，所述S电极和D电极均为由Ti/Al/Ni/Au组合的金属合金层；G电极为由Ni/Au组合的金属合金层。
[0022]优选的，外延层一材料为GaN，外延层二材料为AlGaN或AllnN；AlGaN采用轻掺杂的n型掺杂，浓度在10
17
cm
‑3‑
10
18
cm
‑3,厚度在30nm
‑
60nm。
[0023]一种宽禁带半导体集成碳基材料的电力电子芯片的制备方法，包括以下步骤：
[0024]步骤1：在基底中心上方外延一层外延层一，并在基底上方除外延层一以外的表面镀一层Si3N4层；
[0025]步骤2：在外延层一中心上方外延一层外延层二，并在外延层一上方的外延层二两侧分别镀上合金层一和合金层二；
[0026]步骤3：在Si3N4层、合金层一上表面外边缘、合金层二上表面外边缘生长一层石墨烯层；
[0027]步骤4：通过光刻工艺制作出S电极和D电极的图形，然后通过蒸镀工艺在石墨烯层上方两侧蒸镀金属合金层形成S电极和D电极；
[0028]步骤5：通过光刻工艺制作出G电极的图形，然后通过蒸镀工艺在外延层二上方蒸镀金属合金层形成G电极；
[0029]步骤6：通过光刻和蒸镀工艺，在除S电极、D电极和G电极之外的石墨烯层、合金层一、合金层二和外延层二的上方，镀一层保护层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽禁带半导体集成碳基材料的电力电子芯片，其特征在于，包括基底、Si3N4层、石墨烯层、合金区、外延区、S/D电极区和G电极；所述Si3N4层和所述外延区位于所述基底上方，且分别与所述基底连接；所述合金区嵌入所述外延区，所述Si3N4层位于所述外延区的两侧，且与所述外延区连接；所述石墨烯层位于所述合金区和所述Si3N4层上方，且与所述合金区和所述Si3N4层连接；所述S/D电极区位于所述石墨烯层上方，且与所述石墨烯层连接；所述G电极位于所述外延区上方，且与所述外延区连接。2.根据权利要求1所述的宽禁带半导体集成碳基材料的电力电子芯片，其特征在于，还包括保护层，所述保护层设置在所述S/D电极区和所述G电极以外的所述石墨烯层、所述合金区和所述外延区的上方，且包覆所述石墨烯层。3.根据权利要求1所述的宽禁带半导体集成碳基材料的电力电子芯片，其特征在于，所述外延区包括外延层一和外延层二；所述外延层一位于所述基底上方，与所述Si3N4层连接，所述Si3N4层包覆在所述外延层一的两侧；所述外延层二的宽度小于所述外延层一，位于所述外延层一的中心上方。4.根据权利要求3所述的宽禁带半导体集成碳基材料的电力电子芯片，其特征在于，所述合金区包括合金层一和合金层二；所述合金层一和所述合金层二位于所述外延层一的上方，且分别位于所述外延层二的两侧，所述Si3N4层包覆在所述合金层一和所述合金层二的外侧；所述外延层二通过所述合金层一与所述Si3N4层、所述石墨烯层连接，通过所述合金层二与所述Si3N4层、所述石墨烯层连接。5.根据权利要求1所述的宽禁带半导体集成碳基材料的电力电子芯片，其特征在于，所述S/D电极区包括S电极和D电极；所述S电极和D电极分别位于所述石墨烯层上方两侧。6.根据权利要求1所述的宽禁带半导体集成碳基...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓波，
申请(专利权)人：中山惠更斯智能视觉科技有限公司，
类型：发明
国别省市：