[發明專利]一種金剛石基多通道勢壘調控場效應晶體管及其制備方法

有效

• 申請號: 201811075622.5
• 申請日: 2018-09-14
• 公開（公告）號: CN109285894B
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 王瑋;王宏興;問峰;王艷豐;林芳;張明輝;張景文;卜忍安;侯洵
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01L29/812
• 分類號: H01L29/812;H01L21/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了一種金剛石基多通道勢壘調控場效應晶體管及其制備方法，包括金剛石襯底；在金剛石襯底上設有一層單晶金剛石外延薄膜；單晶金剛石外延薄膜上設置有臺面區域；單晶金剛石外延薄膜上設置有刻蝕區域；臺面區域內設置有多通道溝道區域和刻蝕區域；多通道溝道包括二維空穴氣導電層；刻蝕區域包含氧、氟或氮終端；源電極和漏電極處于臺面區域的兩側；柵電極設置在源電極和漏電極之間的多通道溝道區域和刻蝕區域上，且柵電極同時設置在單晶金剛石外延薄膜上的刻蝕區域上。本發明的晶體管器件能夠獲得常關型特性，且不會損傷導電溝道的性能，同時多通道結構也能夠保證器件源漏之間的電流通過能力。

技術領域

本發明屬于半導體器件技術領域，特別涉及一種常關型金剛石基場效應晶體管及其制備方法，具體涉及一種金剛石基多通道勢壘調控場效應晶體管及其制備方法。

背景技術

半導體單晶材料已歷經四代的發展。第一代Si、Ge半導體將人類帶入了信息時代，同時也帶動了電子系統的智能化和信息化。第二代半導體(GaAs、InP、MCT等)為我們帶來光電器件、功率電子器件、射頻電子器件和空間抗輻照器件等，引發了無線通信、光通信等信息領域的革命。第三代寬禁帶半導體(GaN、SiC)已可部分滿足新一代電子系統對半導體器件在高頻(微波-毫米波)、大功率輸出、高溫(300-600℃)；短波長(藍、綠、紫外、深紫外)、抗輻照、抗惡劣環境等方面的要求。

然而，相比之下，金剛石(如圖1所示)無論從超寬禁帶寬度、載流子遷移率、熱導率、抗擊穿場強、介電常數和飽、抗輻射、耐腐蝕和電子漂移速度等幾個方面性能全面超越其他半導體，也擁有最高的Johnson、Keyes及Baliga等品質因子(如表1所示)，表1為金剛石材料指數與Si、GaN、SiC的比較；同時最大地覆蓋了輸出功率和工作頻率的應用領域，非常適宜制備超高頻、超大功率、耐高溫、抗輻射的電子器件，更為重要的是從其物理內稟特性來說，其與硅具有同樣的金剛石結構，而且都為單質半導體。因此，在對材料體積、重量、散熱、功率密度、可靠性要求均非常高的航天航空、先進裝備等領域有著巨大的應用潛力。

表1、金剛石材料指數與Si、GaN、SiC的比較

實驗證明，氫終端表面金剛石價帶中的電子轉移至吸附分子中最低未占據分子軌道(LOMO)上，導致金剛石表面形成一層二維空穴氣(2DHG)，能夠獲得10¹³cm^-2左右的面載流子濃度，以及50-200cm²·V^-1·s^-1范圍內的載流子遷移率。在傳統元素摻雜還未解決的時候，這層二維空穴氣能夠作為場效應晶體管的導電溝道使用，大大地推進了金剛石FET的發展。目前金剛石基場效應晶體管最大源漏電流已經達到1A/mm，此時跨導為520mS/mm，單晶金剛石金屬-半導體場效應晶體管最高夾斷頻率f_T為53GHz，最大頻率f_max為120GHz。

目前金剛石場效應晶體管絕大多數為常開型(耗盡型)器件，然而，常關型(增強型)器件在電路應用中也擁有舉足輕重的地位。常關型器件在不加柵壓的情況下，在擊穿之前源漏兩端無論加多大電壓都不會有電流通過，器件處于關斷狀態。因此，該類器件能夠大大提高整個系統的安全性，同時極大地降低了電路損耗。現有的常關型器件都是通過將部分氫終端轉化為氧終端、將表面吸附物部分解吸附、帶相反電荷的介質層補償而實現的，這樣做降低了表面溝道載流子濃度與遷移率，犧牲了器件部分的源漏最大電流、外部跨導等性能。

發明內容