1.本发明涉及半导体电子器件技术领域，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。
背景技术：
2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
技术实现要素：
7.有鉴于此，本发明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。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.一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；
10.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；
11.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；
12.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；
13.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；
14.所述g电极位于所述外延区上方，且与所述外延区连接。
15.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。
16.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。
17.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。
18.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。
19.优选的，所述基底材料为gan或ain。
20.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。
21.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。
22.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。
23.一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：
24.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；
25.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；
26.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；
27.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；
28.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；
29.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。
30.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供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，采用导电性极具优良的石墨烯层，作为导电通道，作为源极s和漏极d直接接触的电流流通通道，代替以往的2deg，可以极大的提升电子的迁移速率，实现更高的频率特性，通过金半接触的肖特基势垒来控制宽禁带异质结的2deg，来实现栅极g控制整体芯片开关，宽禁带异质结区只在芯片中间很小位置，只负责芯片开关左右，整体减小了芯片的热量生产，增强散热效果，也减小由于整体的利用2deg导电通道所产生的缺陷和电子散射。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
32.图1附图为本发明提供的一种宽禁带半导体集成碳基材料的电力电子芯片结构示意图；
33.图2附图为本发明提供的位于g电极下方的2deg位置结构示意图；
34.图3附图为本发明提供的栅极0偏压下肖特基势垒层结构示意图；
35.图4附图为本发明提供的一定栅极正向偏压下肖特基势垒层结构示意图。
36.附图中：1-基底，2-si3n4层，3-石墨烯层，41-合金层一，42-合金层二，51-外延层一，52-外延层二，61-s电极，62-d电极，7-g电极，8-保护层，9-二维电子气，10-肖特基势垒耗尽层。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.实施例1
39.本发明实施例公开了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1、si3n4层2、石墨烯层3、合金区、外延区、s/d电极区和g电极7；
40.si3n4层2和外延区位于基底1上方，且分别与基底1连接；
41.合金区嵌入外延区，si3n4层2位于外延区的两侧，且与外延区连接；
42.石墨烯层3位于合金区和si3n4层2上方，且与合金区和si3n4层2连接；
43.s/d电极区位于石墨烯层3上方，且与石墨烯层3连接；
44.g电极7位于外延区上方，且与外延区连接。
45.在本实施例中，电力电子芯片还包括保护层8，保护层8设置在s/d电极区和g电极7以外的石墨烯层3、合金区和外延区的上方，且包覆石墨烯层3。
46.进一步的，外延区包括外延层一51和外延层二52；外延层一51位于基底1上方，与si3n4层2连接，si3n4层2包覆在外延层一51的两侧；外延层二52的宽度小于外延层一51，位于外延层一51的中心上方。保护层8位于外延层二52的侧边上方；外延层一51和外延层二52之间形成二维电子气9。
47.进一步的，合金区包括合金层一41和合金层二42；合金层一41和合金层二42位于外延层一51的上方，且分别位于外延层二52的两侧，si3n4层2包覆在合金层一41和合金层二42的外侧，外延层二52通过合金层一41与si3n4层2、石墨烯层3连接，通过合金层二42与si3n4层2、石墨烯层3连接。
48.进一步的，s/d电极区包括s电极61和d电极62；s电极61和d电极62分别位于石墨烯层3上方两侧。
49.实施例2
50.实施例1中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：
51.步骤1：在gan或aln材料的基底1中心上方外延一层gan形成外延层一51，并在基底1上方除外延层一51以外的表面镀一层si3n4层2；
52.步骤2：在外延层一51中心上方外延一层algan或allnn材料形成外延层二52，并在外延层一51上方的外延层二52两侧分别镀上ni/au金属合金层，形成合金层一41和合金层二42；
53.步骤3：在si3n4层2、合金层一41上表面外边缘、合金层二42上表面外边缘生长一层石墨烯层3；
54.步骤4：通过光刻工艺制作出s电极61和d电极62的图形，然后通过蒸镀工艺在石墨烯层3上方两侧蒸镀ti/al/ni/au金属合金层形成s电极61和d电极62；
55.步骤5：通过光刻工艺制作出g电极7的图形，然后通过蒸镀工艺在外延层二52上方蒸镀ti/al/ni/au金属合金层形成g电极7；
56.步骤6：通过光刻和蒸镀工艺，在除s电极61、d电极62和g电极7之外的石墨烯层3、合金层一41、合金层二42和外延层二52的上方，镀一层保护层8。
57.本发明利用gan或aln材料做基底，进行需要的混合外延生长，结合芯片工艺形成在宽禁带材料上集合石墨烯和三五族材料的电力电子芯片。
58.采用导电性极具优良的石墨烯层，作为导电通道，s和d电极位于石墨层上，s和d电极采用ti/al/ni/au金属组合，g电极位于异质结gan/algan(或alinn)接触表面，采用ni/au金属组合，石墨烯层作为源极s和漏极d之间导电的电流流通通道，代替以往的异质结二维电子气(2deg)，可以极大的提升电子的迁移速率，实现更到的频率特性；此外将石墨烯设计和生长在高阻的si3n4材料上，不但利于石墨烯的材料的高质量生长，还可以实现电流的集
中渠道，避免了传统器件的电流分散通道(传统的二维电子气9背景高阻层需要通过掺杂fe或其他元素或其他复杂设计结构得到)，石墨烯层通过金属合金层ni/au与二维电子气9导电通道相连，实现很好的欧姆接触。
59.以gan或aln材料做基底，可以实现非常好的gan/algan(或alinn)外延层，进而产生足够多和高质量的二维电子气9,二维电子气9位于gan/algan外延层界面处的gan外延层内，如图2所示；algan采用轻掺杂的n型掺杂，浓度在10
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cm-3-10
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cm-3
,厚度在30nm-60nm,由于掺杂浓度低，此时在gan/algan界面不会掺杂足够的2deg9,而且此时的肖特基势垒耗尽层10深入到本征gan层内，使得二维电子气9完全被耗尽，在0栅偏压下，s和d之间由于完全被耗尽阻住挡不导通，如图3所示；在一定的栅极正向偏压下，肖特基势垒耗尽层10变薄，产生一定深的电子势阱，形成一定的二维电子气密度，此时s极和d极由于中间的二维电子气9导通，成为增强型高电子迁移率晶体管，如图4所示，极大的提升了载流子迁移速率、降低导通电阻、提升工作频率、增大散热效果，实现高性能应用。
60.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
61.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。