[發(fā)明專利]超薄氧化鋁介質(zhì)層金剛石場效應(yīng)晶體管及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810398935.8
• 申請日: 2018-04-28
• 公開（公告）號: CN108711549A
• 公開（公告）日: 2018-10-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王宏興;王艷豐;王瑋;常曉慧;張景文;卜忍安;侯洵
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: H01L21/04
• 分類號: H01L21/04;H01L21/336;H01L29/16;H01L29/51;H01L29/78
• 代理公司: 陜西增瑞律師事務(wù)所 61219
• 代理人: 劉春

本發(fā)明公開了一種超薄氧化鋁介質(zhì)層金剛石場效應(yīng)晶體管的制備方法，去除金剛石襯底表面非金剛石相后，再對金剛石襯底進(jìn)行氫化處理；在氫化后的金剛石襯底表面形成源極和漏極；然后在源極和漏極之間形成超薄氧化鋁介質(zhì)層；最后在超薄氧化鋁介質(zhì)層上形成柵極。解決了現(xiàn)有場效應(yīng)晶體管的制備成本高，制備工藝復(fù)雜的問題。

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于材料生長技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及超薄氧化鋁介質(zhì)層金剛石場效應(yīng)晶體管及其制備方法。

【背景技術(shù)】

金剛石的禁帶寬度為5.5eV、擊穿電壓大于10MV/cm、電子遷移率為4500cm²/V﹒s、空穴遷移率為3800cm²/V﹒s，這使得金剛石在電學(xué)方面具有其他半導(dǎo)體材料不可比擬的優(yōu)異性質(zhì)。所以，金剛石材料非常適合于超高頻、超大功率電子器件制造領(lǐng)域。

雖然金剛石可以像硅一樣，通過摻入硼元素和磷元素來實(shí)現(xiàn)不同類型的摻雜。但是在金剛石中磷原子的激活能為0.57eV,硼原子的激活能為0.37eV，這使得摻雜原子在室溫下很難被激活，無法形成有效導(dǎo)電。然而，研究發(fā)現(xiàn)，對單晶金剛石表面進(jìn)行氫化處理后，可以使得原來具有懸掛鍵的碳原子和氫原子結(jié)合，即氫終端金剛石。該終端類型的金剛石表面附近具有一層導(dǎo)電的二維空穴氣，形成導(dǎo)電溝道，其載流子濃度可達(dá)10¹³cm^-2左右，載流子遷移率可達(dá)20-200cm²·V^-1·s^-1，該發(fā)現(xiàn)極大的推動了金剛石場效應(yīng)晶體管的發(fā)展。因此高度氫化的金剛石完全可以用來制作場效應(yīng)晶體管。但是，該二維空穴氣層是由金剛石表面的C-H鍵極化以及表面的吸附物造成的，在高溫作用下C-H鍵會斷裂，表面吸附物也會揮發(fā)。而且在長期使用或高溫過沖下具有導(dǎo)電作用的氫終端將退化，影響器件的性能。

為了解決氫退化問題，一般在場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電溝道上邊覆蓋一層介質(zhì)層，該介質(zhì)層既可以起到絕緣作用，又可以起到保護(hù)氫終端溝道不被破壞的作用。一般制備介質(zhì)層的方法有：磁控濺射、電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)等，但是這些方法，要么價(jià)格昂貴，要么工藝復(fù)雜，因此急需一種低成本、簡易的制備介質(zhì)層的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的目的是提供一種超薄氧化鋁介質(zhì)層金剛石場效應(yīng)晶體管及其制備方法，以解決現(xiàn)有場效應(yīng)晶體管的制備成本高，制備工藝復(fù)雜的問題。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：超薄氧化鋁介質(zhì)層金剛石場效應(yīng)晶體管的制備方法，去除金剛石襯底表面非金剛石相后，再對金剛石襯底進(jìn)行氫化處理；在氫化后的金剛石襯底表面形成源極和漏極；然后在源極和漏極之間形成超薄氧化鋁介質(zhì)層；最后在超薄氧化鋁介質(zhì)層上形成柵極。

進(jìn)一步的，形成超薄氧化鋁介質(zhì)層的具體方法為：遮蓋金剛石襯底表面的源極、漏極及兩者之間的部分，并對遮蓋部分進(jìn)行電學(xué)隔離和清洗；然后在源極和漏極之間的遮蓋部分上形成超薄鋁金屬層；再對鋁金屬層在空氣中熱氧化，使其自行氧化形成超薄氧化鋁介質(zhì)層。

進(jìn)一步的，超薄鋁金屬層厚度小于10nm，均方根表面粗糙度小于2nm。

進(jìn)一步的，形成源極和漏極之前，先對金剛石襯底進(jìn)行酸堿處理并吹干，再進(jìn)行氫化處理，在其表面下得到二維空穴氣，并對金剛石襯底清洗。

進(jìn)一步的，氫化處理是將進(jìn)行酸堿處理后的金剛石襯底置于氫等離子體中處理，使其表面形成二維空穴氣層；其載流子濃度為2×10¹¹-2×10¹⁵cm²,遷移率為20-200cm²/V·s，方塊電阻小于20KΩ/□。

本發(fā)明采用的第二種技術(shù)方案是，一種超薄氧化鋁介質(zhì)層金剛石場效應(yīng)晶體管，包括金剛石襯底，金剛石襯底表面分別設(shè)置有源極和漏極，源極和漏極之間有超薄氧化鋁介質(zhì)層，超薄氧化鋁介質(zhì)層上設(shè)置有柵極。