基于双栅的具有p型沟道特性的新型半导体器件
阅读说明：本技术 基于双栅的具有p型沟道特性的新型半导体器件 (Novel semiconductor device with P-type channel characteristic based on double gates ) 是由 李琦 王磊 陈永和 姜焱彬 黄晓咪 杨保争 曾鹏 何智超 张锋 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于双栅的具有P型沟道特性的新型半导体器件,在传统AlGaN/GaN HEMT器件中引入底部栅极,通过背栅与顶栅控制沟道,实现具有P沟道特性的HEMT器件。一方面,通过顶部栅极偏置电压,使得器件处于关断状态。降低底部栅极偏置电压,削弱顶部栅所产生的电场,使得沟道二维电子气重新产生,实现P型沟道器件特性。另一方面,在开态下,进一步减小底部栅极偏置电压,异质结界面三角形势阱的深度增加,从而增大器件的开态电流。本发明实现的是一种基于双栅的具有P型沟道特性的新型半导体器件,避免了传统HEMT器件的无法实现二维空穴气,P型沟道的HEMT器件难以制造的难题,为实现具有P型沟道特性的HEMT器件提供新的思路。(The invention discloses a novel semiconductor device with a P-type channel characteristic based on a double gate. In one aspect, the device is placed in an off state by a top gate bias voltage. The bias voltage of the bottom grid electrode is reduced, the electric field generated by the top grid electrode is weakened, the two-dimensional electron gas of the channel is regenerated, and the characteristic of the P-type channel device is realized. On the other hand, in the on state, the bottom gate bias voltage is further reduced, and the depth of the heterojunction interface triangular potential well is increased, so that the on-state current of the device is increased. The invention realizes a novel semiconductor device with a P-type channel characteristic based on a double gate, avoids the difficult problems that the traditional HEMT device cannot realize two-dimensional hole gas and the HEMT device with the P-type channel is difficult to manufacture, and provides a new idea for realizing the HEMT device with the P-type channel characteristic.)
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种基于双栅的具有P型沟道特性的新型半导体器件。
背景技术
功率半导体器件在电力电子、微波通信等领域具有极其广泛的应用，最近几十年来，硅基器件作为主流的功率半导体器件一直是应用与研究的热点，也得到了非常快速的发展以及重要的成果。然而，随着人类社会与科学技术的飞速发展，已有的硅基功率半导体器件已经很难满足一些特定领域对器件的性能要求。
在硅基器件已逐渐逼近其理论极限的情况下，具有宽禁带、高击穿电场、耐高温、抗辐射等优点的GaN材料具有很大的潜在市场价值。P型沟道GaN材料结构是GaN基数字电路的基础，例如常见的P沟道金属-氧化物-半导体(MOS)晶体管和N沟道MOS晶体管组成CMOS电路。目前，随着金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)技术在氮化镓材料应用中的进展和关键薄膜生长技术的突破，成功生长出了GaN多种异质结构。例如AlGaN/GaN异质结，由于存在高密度、高迁移率的二维电子气，可以实现性能非常优异的HEMT器件。但是，现有技术中，很难外延出P型沟道的GaN基异质材料，且传统P型器件目前普遍存在的空穴迁移率低，受主杂质注入易引起晶格损伤且难以激活等一系列问题都尚未得到更好的解决，严重阻碍了数字集成电路的发展，同时制约了GaN数字控制器件在射频和功率集成电路方面的发展。
发明内容
本发明所要解决的是传统P沟道器件GaN基异质材料难以生长导致的工艺难度大，空穴迁移率低，受主杂质不易激活的问题，提供一种基于双栅的具有P型沟道特性的新型半导体器件，旨在不改变GaN HEMT器件优异特性的同时实现P沟道器件特性。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于双栅的具有P型沟道特性的新型半导体器件，该新型半导体器件包括衬底层、缓冲层、沟道层、势垒层、钝化层、源极、漏极和顶部栅极；衬底层、缓冲层、沟道层、势垒层和钝化层自下而上依次叠置；源极和漏极位于缓冲层或沟道层上方的两端，且源极和漏极为欧姆接触；顶部栅极位于钝化层，并处于源极和漏极之间；其不同之处是，该新型半导体器件还包括底部栅极和P型掺杂区；底部栅极从衬底层的底部一直延伸至缓冲层的中下部；P型掺杂区位于缓冲层，并包覆在底部栅极的外侧；底部栅极和P型掺杂区同时位于顶部栅极的正下方。
上述方案中，底部栅极和P型掺杂区为肖特基接触。
上述方案中，顶部栅极与底部栅极控制同一沟道。
上述方案中，顶部栅极与底部栅极的对称中线重合。
上述方案中，顶部栅极与底部栅极的宽度一致。
另一种基于双栅的具有P型沟道特性的新型半导体器件，该新型半导体器件包括衬底层、缓冲层、沟道层、势垒层、钝化层、源极、漏极和顶部栅极；衬底层、缓冲层、沟道层、势垒层和钝化层自下而上依次叠置；源极和漏极位于缓冲层或沟道层上方的两端，且源极和漏极为欧姆接触；顶部栅极位于钝化层，并处于源极和漏极之间；其不同之处是，该新型半导体器件还包括底部栅极和P型掺杂区；底部栅极位于衬底层，P型掺杂区位于缓冲层的中下部，且底部栅极的顶部与P型掺杂区的底部相贴；底部栅极和P型掺杂区同时位于顶部栅极的正下方。
上述方案中，底部栅极和P型掺杂区为肖特基接触。
上述方案中，顶部栅极与底部栅极控制同一沟道。
上述方案中，顶部栅极与底部栅极的对称中线重合。
上述方案中，顶部栅极与底部栅极的宽度一致。
与现有技术相比，本发明避开了传统P沟道器件存在的空穴迁移率低，受主杂质难以激活且GaN基异质材料工艺难度大等众多问题，在基于二维电子气导电的传统AlGaN/GaNHEMT器件中引入底部栅极，与P型掺杂区形成肖特基接触，更好的与顶部栅极控制同一沟道，实现具有P沟道特性的HEMT器件。一方面，通过顶部栅极偏置电压，使得器件处于关断状态。降低底部栅极偏置电压，削弱顶部栅极所产生的电场，使得沟道二维电子气重新产生，实现P型沟道器件特性。另一方面，在开态下，进一步减小底部栅极偏置电压，异质结界面三角形势阱的深度增加，从而增大器件的开态电流。本发明实现的是一种基于双栅的具有P型沟道特性的新型半导体器件，避免了传统HEMT器件的无法实现二维空穴气，P型沟道的HEMT器件难以制造的难题，为实现具有P型沟道特性的HEMT器件提供新的思路。
附图说明
图1为一种基于双栅的具有P型沟道特性的新型半导体器件的结构示意图。
图2为另一种基于双栅的具有P型沟道特性的新型半导体器件的结构示意图。
图3为器件异质结处电子浓度随底部栅极电压变化示意图。
图4为转移特性曲线图。
图中标号：1、衬底层；2、缓冲层；3、底部栅极；4、P型掺杂区；5、沟道层；6、势垒层；7、钝化层；8、源极；9、漏极；10、顶部栅极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
实施例1：
参见图1，一种基于双栅的具有P型沟道特性的新型半导体器件，该新型半导体器件为横向器件，包括衬底层1、缓冲层2、沟道层5、势垒层6、钝化层7、源极8、漏极9、顶部栅极10、底部栅极3和P型掺杂区4。
衬底层1、缓冲层2、沟道层5、势垒层6和钝化层7自下而上依次叠置。源极8和漏极9位于缓冲层2或沟道层5上方的两端，即源极8和漏极9可以位于缓冲层2上方的沟道层5、势垒层6和钝化层7的两端，或者源极8和漏极9位于沟道层5上方的势垒层6和钝化层7的两端。源极8和漏极9为欧姆接触。顶部栅极10位于钝化层7，并处于源极8和漏极9之间。其特征是，该新型半导体器件还包括底部栅极3从衬底层1的底部一直延伸至缓冲层2的中下部。P型掺杂区4位于缓冲层2，并包覆在底部栅极3的外侧。底部栅极3和P型掺杂区4形成肖特基接触，且同时位于顶部栅极10的正下方，顶部栅极10的投影到底部栅极3上，此时顶部栅极10与底部栅极3控制同一沟道。为了获得更好的效果，在本发明优选实施例中，顶部栅极10与底部栅极3的对称中线重合，即两条对称中线处于同一条纵向直线上，且顶部栅极10与底部栅极3的宽度一致。
实施例2：
参见图2，另一种基于双栅的具有P型沟道特性的新型半导体器件，该新型半导体器件为横向器件，包括衬底层1、缓冲层2、沟道层5、势垒层6、钝化层7、源极8、漏极9、顶部栅极10、底部栅极3和P型掺杂区4。源极8和漏极9位于缓冲层2或沟道层5上方的两端，即源极8和漏极9可以位于缓冲层2上方的沟道层5、势垒层6和钝化层7的两端，或者源极8和漏极9位于沟道层5上方的势垒层6和钝化层7的两端。源极8和漏极9为欧姆接触。顶部栅极10位于钝化层7，并处于源极8和漏极9之间。P型掺杂区4位于缓冲层2的中下部，且底部栅极3的顶部与P型掺杂区4的底部相贴。底部栅极3和P型掺杂区4为肖特基接触。底部栅极3和P型掺杂区4同时位于顶部栅极10的正下方，顶部栅极10的投影到底部栅极3上，此时顶部栅极10与底部栅极3控制同一沟道。为了获得更好的效果，在本发明优选实施例中，顶部栅极10与底部栅极3的对称中线重合，即两条对称中线处于同一条纵向直线上，且顶部栅极10与底部栅极3的宽度一致。
本发明可以采用GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合作为衬底层1、缓冲层2、沟道层5和势垒层6的材料；而钝化层7可以采用业界常用的材料SiNx，也可采用A12O3或AlN等材料。由于本发明将常规AlGaN/GaN HEMT器件通过刻蚀工艺来引入底部栅极3，通过外延生长引入P型掺杂区4，因此与传统GaN器件兼容的工艺流程。
在本发明中，P型掺杂区4浓度影响着器件顶部栅极10对沟道的控制作用，浓度越大，其控制作用越强。图3为器件在底部栅极3接不同低电位时AlGaN/GaN异质结界面处的电子浓度变化图，由图可看出随着底部栅极3电压的进一步降低，异质结界面处沟道电子浓度逐渐上升，器件重新开启，这是由于顶栅控制沟道逐渐被削弱，体现出P沟道器件特性，其转移特性曲线如图4所示，由图可看出器件导通电流随着底栅电压降低而逐渐增大。
本发明的工作原理：当所述器件结构的漏极9接负电压，顶部栅极10加零电压，器件处于导通状态，电子运动方向由漏极9指向源极8。此时，若顶部栅极10加负偏置电压，会产生由底栅指向顶栅的电场，在偏置电压与P掺杂的缓冲层2区域的共同作用下，AlGaN/GaN异质结界面处导带势垒被提高至费米能级以上，导致沟道处的二维电子气浓度逐渐降低，直至器件关断。这时降低底部栅极3偏置电压，削弱顶部栅极10偏所产生的电场，随着底部栅极3的偏置电压进一步降低，AlGaN/GaN异质结界面处导带势垒被降低至费米能级以下，沟道二维电子气重新产生，器件通过形成肖特基接触的底部栅极3能够更好的控制器件沟道完成由关到开的转换，如图4所示，从而通过底部栅极3与顶部栅极10对沟道二维电子气的共同作用来实现电子导电的P沟道器件特性。综上，本发明所提出的半导体器件与现有技术相比，避开了传统P沟道器件难以制造，空穴迁移率低，受主杂质难以激活且GaN基异质材料工艺难度大等众多问题，实现了一种基于双栅的P沟道特性半导体器件。
本发明通过底部栅极3与顶部栅极10控制同一沟道，实现具有P沟道特性的HEMT器件，即：当器件关断时，顶部栅极10连接低电位，沟道二维电子气消失，沟道处产生由底栅指向顶栅的电场。当底部栅极3由零电位开始下降，底部栅极3指向顶部栅极10的电场开始被削弱，随着底部栅极3的电位进一步降低，沟道二维电子气重新产生，器件通过底部栅极3控制完成由关到开的转换，从而通过底部栅极3与顶部栅极10对沟道二维电子气的共同作用来实现电子导电的P沟道器件特性。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
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