[发明专利]一种新型二维电子气浓度调控的晶体管结构及制作方法

说明书

本发明公开了一种新型二维电子气浓度调控的晶体管结构及制作方法，涉及半导体技术领域，该新型二维电子气浓度调控的晶体管结构包括衬底及制作在衬底上的氮化镓铝/氮化镓异质结构，氮化镓铝/氮化镓异质结构界面形成二维电子气，氮化镓铝/氮化镓异质结构上制作ε相氧化镓层，本申请利用ε相氧化镓层的自发极化和外加电场下的极化翻转行为和特性，对异质结构界面二维电子气浓度进行调控，可实现异质结构界面二维电子气浓度的增强或耗尽，不仅有利于提高器件的性能，而且为实现低导通电阻或增强型晶体管提供了新途径。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种新型二维电子气浓度调控的晶体管结构及制作方法。

背景技术

以GaN(氮化镓)为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速率高、介电常数小和击穿场强高等特点，成为高压、高功率器件的重要材料，非常适用于制作高频、高速、高功率、抗辐射、高集成度的电子器件和电路，在电池充电器、智能手机、计算机、服务器、汽车、通讯、照明系统和光伏领域的功率转换市场发挥着关键作用，对国家安全和国民经济发展具有极为重要的意义。近年来，美国、日本和欧洲等发达国家和地区均将电力电子器件列入重大战略计划，我国也明确提出优先推动电力装备重点领域的发展，大力发展大功率电力电子器件。高电子迁移率晶体管(HEMT)是最重要的功率开关器件之一，由于高功率密度、高击穿电压和高开关速度及良好的频率特性，GaN-HEMTs在电动汽车充电系统、功率开关、5G通信射频功率放大等方面得到了很好的展示。

GaN-HEMTs优异的器件性能主要源于AlGaN/GaN(氮化镓铝/氮化镓)界面2DEG(二维电子气)的存在：由于极化不连续和巨大的能带偏移，AlGaN/GaN界面势阱处可极化诱导形成高浓度高迁移率的2DEG，使得GaN-HEMTs在高压、高频、高功率应用领域表现出优良特性。基于强极化诱导作用和巨大能带偏移(band offset)，AlGaN/GaN异质结构界面的量子阱内可形成强量子局域化的高浓度二维电子气系统(2DEG)，即使在不掺杂的情况下，也可感生高达～10¹³cm^-2的2DEG，通常情况下，(20nm)Al_0.3Ga_0.7N/GaN浓度可达约1.5×10¹³cm^-2，载流子饱和迁移率可达1.5×10⁷cm²/VS。

加强对AlGaN/GaN界面2DEG的浓度和迁移率的调控对改善其功率电子器件的性能具有重要意义，尤其是对器件的阈值电压、导通电阻的大小的调控有重要作用。提高AlGaN/GaN界面2DEG浓度可减小GaN-HEMTs的导通电阻和功耗，目前有些做法会通过增加AlGaN厚度或增大AlGaN中Al组分来实现2DEG面密度增大，但2DEG面密度随AlGaN势垒层厚度逐渐饱和，载流子面密度增加有限；使用高Al组分势垒层提高2DEG浓度时，高Al组分AlGaN材料的生长存在困难，且Al组分增大形成的应力引起AlGaN/GaN界面粗糙度增大，成为抑制高Al异质结构2DEG迁移率的重要因素。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种新型二维电子气浓度调控的晶体管结构，本发明的技术方案如下：

一种新型二维电子气浓度调控的晶体管结构，其特征在于，新型二维电子气浓度调控的晶体管结构包括：

衬底；

氮化镓层，氮化镓层形成在衬底上；

氮化镓铝层，氮化镓铝层形成在氮化镓层上形成氮化镓铝/氮化镓异质结构，氮化镓铝/氮化镓异质结构界面形成二维电子气；

ε相氧化镓层，ε相氧化镓层形成在氮化镓铝层上。

其进一步的技术方案为，新型二维电子气浓度调控的晶体管结构还包括：