[发明专利]一种氧化镓晶体管及其制备方法

说明书

本发明提供一种氧化镓晶体管及其制备方法，述氧化镓晶体管包括由衬底依次连接的Ga₂O₃层以及(Al_xGa_1‑x)₂O₃层，所述(Al_xGa_1‑x)₂O₃层内部掺杂有掺杂元素，0＜x＜1。所述氧化镓晶体管在不增大杂质电离散射的情况下，其载流子迁移率显著增大，载流子浓度大幅提高，同时二维电子气浓度增大，器件的电流密度得到提高。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种氧化镓晶体管及其制备方法。

背景技术

氧化镓作为新一代超宽禁带半导体材料，具有禁带宽(4.8eV)、临界击穿电场高(8MV/cm)、熔点高、耐高温、热稳定性好、制造大面积衬底更容易等特点，适用于制作高压、高功率、耐高温和耐辐射等高性能电子器件。其应用包括电力电子器件、探测器、射频器件、光电子器件等领域，氧化镓肖特基二极管以及场效应管相比于氮化镓、碳化硅器件，可在相同的尺寸下可以承受更强的电场，处理更高的功率，效率更高，适用于各种电力设备以及机动车辆，如电网、发电厂以及电动汽车、高铁、飞机等。目前超宽禁带半导体材料氧化镓已经成为科研研究的焦点之一，具有广阔的应用前景，契合国家节能减排，智能制造，通讯与信息安全的要求。

在功率器件方面，氧化镓肖特基势垒二极管、场效应晶体管等相比于氮化镓器件，有着更高的禁带宽度和更高的击穿场强，更适合应用于高压、大功率环境中，但是相比于氮化镓材料，氧化镓材料最为致命的缺点是它具有很低的载流子浓度和载流子迁移率，从而使得在氧化镓材料中形成二维电子气(2DEG)变得比较困难，也是限制氧化镓材料在电力电子器件方面应用的关键因素。针对这一问题，我们采用渐变掺杂异质结结构可以实现在氧化镓材料中获得高浓度和高电子迁移率的二维电子气(2DEG)。

氧化镓材料载流子浓度和迁移率非常低(200cm2/(V·s)，这就导致了氧化镓材料制作的器件电流输出能力受到限制。一般情况下，可以通过向半导体中掺杂元素来提高半导体的载流子浓度和迁移率，但是问题在于通过常规手段给氧化镓中掺杂进Si，Ge，Sn等元素形成n型掺杂虽然能提高载流子浓度，但同时掺杂剂电离杂质也会散射电子，散射会导致迁移率降低，进而降低了电流输出能力。针对这一问题，我们引入了一种势垒渐变掺杂技术，通过势垒渐变掺杂技术可以减小场效应晶体管沟道内部载流子的散射，从而提高氧化镓器件的电流输出密度。渐变掺杂技术提高载流子迁移率的方法有几个问题比较关键。首先如何在场效应晶体管沟道内不引入杂质元素的情况下来提高沟道内载流子浓度，因为如果给氧化镓中通过扩散或者离子注入引入掺杂元素，势必会增大氧化镓内部的载流子浓度，这就导致了在氧化镓内部的杂质散射增强，虽然增大了掺杂浓度，但是由于散射的增强，载流子迁移率并不会有很大的提高；其次，引入掺杂元素的方法以及掺杂元素在氧化镓半导体内部的分布方式也会导致载流子迁移率不同。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种氧化镓晶体管及其制备方法，所述氧化镓晶体管在不增大杂质电离散射的情况下，其载流子迁移率显著增大，载流子浓度大幅提高，同时二维电子气浓度增大，器件的电流密度得到提高。

本发明目的之一在于提供一种氧化镓晶体管，所述氧化镓晶体管包括由衬底依次连接的Ga₂O₃层以及(Al_xGa_1-x)₂O₃层，所述(Al_xGa_1-x)₂O₃层内部掺杂有掺杂元素，0＜x＜1。