[發明專利]金剛石薄膜的光敏晶體管的制備方法

有效

• 申請號: 200910196564.6
• 申請日: 2009-09-27
• 公開（公告）號: CN101692468A
• 公開（公告）日: 2010-04-07
• 發明（設計）人: 王林軍;張弋;黃健;方謙;曾慶鍇;張旭;夏義本
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;H01L31/113
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發明涉及一種基于自支撐金剛石薄膜的金屬Pb-氰化物SiO₂-P型金剛石薄膜半導體場效應晶體管的制備方法，屬于光電子探測器件制造工藝技術領域。

背景技術

在所期待的發展領域中，人們對開發新型寬禁帶半導體器件寄予厚望，尤其對如在汽車電子應用方面的功率控制必不可少和耐壓數百伏以上的大功率低功耗場效應管(FET)，以及對在移動通信、低軌衛星通信中繼站內使用的高頻FET。傳統的Si和GaAs半導體材料出于自身結構和特性的原因，在高溫、高頻、大功率以及抗輻射等方面越來越顯出其不足和局限性。硅的禁帶寬度較小，因此由硅材料制造的器件不能工作在高于150℃的環境中，無法滿足新一代光電探測領域高通量、高輻照強度、高溫等苛刻環境的要求。GaAs器件雖然可以獲得優異的高頻特性，但由于材料的擊穿場強和熱導率低，無法實現大功率工作。在科學技術飛速發展的今天，越來越多的領域如航天、航空、軍事、石油勘探、核能、通訊等迫切地需要能夠承受高溫同時又在高頻大功率、抗輻照等方面具有良好性能的晶體管探測器材料。

目前在這方面的研究主要集中于SiC、GaN和金剛石等寬禁帶半導體材料。由于材料本身的限制，基于SiC或GaN材料的器件無法很好地解決散熱問題。從這些材料的綜合性能來看，金剛石是一種集多種優良性能于一體的探測器材料：其晶格結合牢固，具有強抗輻射能力，即使在大劑量高能粒子的輻照下，其晶格失配也很小，具有相當低的輻照損傷；禁帶寬度大，常溫下具有極高的電阻率，本征載流子濃度非常低，因此其漏電流相當低，熱噪聲小，器件可在高溫度環境下穩定工作，且不需形成p-n結和加反向偏壓來抑制漏電流，探測器結構簡單；介電系數小，信噪比高，且在強輻照下噪聲電流也不會增加；載流子遷移率高，其電荷收集時間比硅探測器快4倍。所有這些優良特性(低的輻照損傷、快的電荷收集時間、高的信噪比)以及最高的硬度、極好的機械性能、化學穩定性、頻率穩定性以及良好的溫度穩定性等優異性能，使金剛石成為一種理想的能有效工作于高溫下，能高速響應、抗輻照能力強的探測器材料。近年來隨著化學氣相沉積(CVD)合成金剛石薄膜方法不斷地完善和p型摻雜技術的突破，使人們大規模利用金剛石的愿望得以實現，大大促進了金剛石薄膜探測器的研究和發展。基于金剛石薄膜的超高速、大功率和抗輻射，該探測器在光電子技術中具有極其重要的應用前景。

金剛石薄膜光敏晶體管的性能很大程度上取決于金剛石薄膜的質量，國際上正在開發的金剛石薄膜光敏晶體管多采用基于硅襯底的多晶金剛石薄膜，然而由于表面粗糙度和晶界的存在，器件性能(時間響應速度、靈敏度等)受到嚴重限制。由于金剛石硬度很大，通過機械、化學拋光等手段處理非常困難，成本相對太高，限制了金剛石薄膜晶體管的研究和大規模地應用。國際上在對金剛石薄膜的研究中發現，與其它取向金剛石薄膜相比，自支撐金剛石薄膜的成核面具有最好的表面光潔度，可達到納米級的表面粗糙度。自支撐金剛石薄膜的成核面具有最佳的性能，有助于克服任意取向的多晶金剛石薄膜晶界雜亂、缺陷多、表面粗糙、均勻性不好等缺點。同時，其金剛石薄膜表面光滑平整，摩擦系數小，其缺陷、晶界尺度以及表面粗糙度遠低于常規金剛石薄膜，甚至比納米金剛石薄膜的表面平整，它不需要后續的拋光技術就可以大幅度提高金剛石薄膜的光潔度，有利于降低制備成本。

另外，金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET)可實現晶體管較高的器件跨越，可望在高頻場效應光敏晶體管集成電路中得到廣泛應用。采用金屬-氧化物-半導體晶體管結構制備場效應晶體管可望有效地提高探測器的性能。由于金剛石n型摻雜技術還未突破，目前報道的所有金剛石基場效應晶體管均為p型硼(B)摻雜溝道器件或p型非摻雜氫(H)終端表面溝道器件。由于硼受主激活能較大，甚至在高溫下也不能完全激活，導致B摻雜溝道場效應晶體管具有較小的漏極電流和跨導，且在高溫、大電壓下工作時又導致大的反向泄漏電流，不利于器件工作。但是，在沒有摻雜情況下，CVD金剛石表面通過氫等離子體處理可以獲得氫(H)終端p型表面導電溝道，目前已成功地制成了H終端表面溝道場效應晶體管，這種H終端表面溝道器件的制作工藝非常簡單，不需要摻雜、氧化和鈍化層沉積過程，制作成本明顯低于p型B摻雜金剛石基場效應晶體管。

針對目前尚未突破單晶金剛石薄膜制備技術以及P型摻雜技術的研究進展情況，我們提出了一種基于自支撐金剛石薄膜制備金屬-氧化物-半導體場效應晶體管結構，有望進一步提高金剛石薄膜光敏晶體管的探測性能。

發明內容