[发明专利]一种碳化硅基石墨烯材料的HEMT芯片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳化硅基石墨烯材料的HEMT芯片及其制备方法，该芯片包括：基底、石墨烯层、离子注入区、S/D电极区和G电极；石墨烯层位于所述基底上方，且与所述基底连接；离子注入区位于所述基底内部中心位置，且向上贯穿至所述石墨烯层上表面；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；G电极位于所述离子注入区上方，且与所述离子注入区连接。本发明采用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，采用金属半导体接触的肖特基势垒作为栅电源控制整个晶体管的开关，采用SiC作为基底材料，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晶体管。

技术领域

本发明涉及半导体电子信息领域技术领域，更具体的说是涉及一种碳化硅基石墨烯材料的HEMT芯片及其制备方法。

背景技术

一般的高电子迁移率晶体管HEMT(或异质结场效应晶体管HFET，调制掺杂场效应晶体管MODFET)使用两种具有不同能隙的材料形成异质结，为载流子提供沟道，像砷化镓、砷镓铝三元化合物半导体是构成这种器件的可选材料，根据具体的应用场合，可以有其他多种组合。近年来发展的氮化镓(GaN)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。

传统的高电子迁移率晶体管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基于异质结材料的，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，AlN/AlGaN/GaN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；

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上限速率，从材料本身突破将是重大的解决方法。

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，不利于批量化，限制了其更大的应用场景和市场。

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。

因此，如何提供一种可以实现超高速的电子迁移和导电速率的碳化硅基石墨烯材料的HEMT芯片及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容