金刚石基背栅型氢终端场效应晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金刚石基背栅型氢终端场效应晶体管及其制备方法；该场效应晶体管，包含金刚石衬底、背栅极、源极、栅引出电极、漏极和单晶金刚石外延薄膜；金刚石衬底上设有背栅极，背栅极上设有栅引出电极；金刚石衬底的上表面覆盖一层单晶金刚石外延薄膜，单晶金刚石外延薄膜将背栅极包裹于其中，栅引出电极的上部伸出单晶金刚石外延薄膜的顶部；单晶金刚石外延薄膜上还设有源极和漏极。本发明专利技术采用背栅型设计，将导电部分全部裸露出来，这样即使在长期使用或是高温过冲条件下造成氢终端导电沟道退化甚至失效的情况下，可以将器件置于氢等离子体环境中，使得导电沟道表面区域得到重新氢化，恢复导电性能，实现场效应晶体管的重复使用。

【技术实现步骤摘要】
金刚石基背栅型氢终端场效应晶体管及其制备方法
本专利技术属于半导体器件领域，特别涉及一种金刚石基背栅型氢终端场效应晶体管及其制备方法。
技术介绍
金刚石是一种优良的宽禁带半导体材料，具有其他半导体材料不可比拟的优异性质。特别是在电学方面，金刚石的禁带宽度为5.5eV、击穿电压大于10MV/cm、电子迁移率为4500cm2/V﹒s、空穴迁移率为3800cm2/V﹒s。因此，使用金刚石材料制作的超高频、超大功率电子器件具有先天的优势。虽然金刚石可以像硅一样，通过掺入硼元素和磷元素来实现不同类型的掺杂。但是在金刚石中磷原子的激活能为0.6eV，这使得其在室温下很难被激活，进而发挥导电作用。通过增加注入杂质浓度来实现高迁移率的方法在磷掺杂中也失效了，因为在高掺杂过程中引入很多缺陷，进而使得补偿比过高。研究发现，对单晶金刚石表面进行氢化处理后，可以使得原来具有悬挂键的碳原子和氢原子结合，即氢终端金刚石。该终端类型的金刚石表面具有一层导电的二维空穴气，其载流子浓度可达1013cm-2左右，载流子迁移率可达20-200cm2·V-1·s-1，该发现极大的推动了金刚石场效应晶体管的发展。研究表明，该二维空穴气层是由金刚石表面的C-H键极化以及表面的吸附物造成的，在高温作用下C-H键会断裂，表面吸附物也会挥发。因此高度氢化的金刚石完全可以用来制作场效应晶体管，但是在长期使用或高温过冲下具有导电作用的氢终端将退化，进而影响器件的性能，无法重复使用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种金刚石基背栅型氢终端场效应晶体管及其制备方法，以解决上述技术问题。本专利技术将栅极埋于金刚石中，使得金刚石氢终端导电沟道完全暴露出来，可实现了器件多次氢化、重复使用的目的，有效的降低了成本。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：金刚石基背栅型氢终端场效应晶体管，包含金刚石衬底、背栅极、源极、栅引出电极、漏极和单晶金刚石外延薄膜；金刚石衬底上设有背栅极，背栅极上设有栅引出电极；金刚石衬底的上表面覆盖一层单晶金刚石外延薄膜，单晶金刚石外延薄膜将背栅极包裹于其中，栅引出电极的上部伸出单晶金刚石外延薄膜的顶部；单晶金刚石外延薄膜上还设有源极和漏极。进一步的，源极和漏极分别位于未露出单晶金刚石外延薄膜的背栅极的两侧，源极和漏极间距大于背电极的宽度；源极和漏极的范围小于或等于未露出的背栅极范围。进一步的，源极和漏极设置于氢化的单晶金刚石外延薄膜上，并与氢化的单晶金刚石外延薄膜形成欧姆接触。进一步的，单晶金刚石外延薄膜表面上源极、漏极及源极和漏极之间部分以外的区域经过电学隔离处理。进一步的，背栅极厚度为0.001-1μm；源极和漏极厚度为0.07-1μm；单晶金刚石外延薄膜为本征金刚石材料；单晶金刚石外延薄膜在背栅极上面部分的厚度高出背栅极0.001-5μm，电阻率大于100MΩ·cm，均方根表面粗糙度小于0.5nm，拉曼半峰宽小于5cm-1，X射线衍射半峰宽小于0.05°。进一步的，金刚石衬底为本征金刚石材料，均方根表面粗糙度小于0.5nm，拉曼半峰宽小于6cm-1，X射线衍射半峰宽小于0.1°。金刚石基背栅型氢终端场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：1)、对金刚石衬底进行酸碱处理，并吹干；2)、在金刚石衬底表面形成背栅极；3)、在金刚石衬底和背栅极上外延得到单晶金刚石外延薄膜；4)、利用刻蚀技术对部分背栅极正上面的单晶金刚石外延薄膜进行刻蚀，直到露出该部分背栅极；5)、在露出的背栅极部分形成引出栅引出电极；6)、对单晶金刚石外延薄膜进行氢化处理，在其表面下得到二维空穴气，并对氢化后的单晶金刚石外延薄膜清洗；7)、在单晶金刚石外延薄膜表面形成源极和漏极；源极和漏极间距大于背电极的宽度；源极和漏极分别位于未露出的背栅极的两侧；源极和漏极的范围小于或等于未露出的背栅极范围；8)、遮盖单晶金刚石外延薄膜表面上源极、漏极及源极和漏极之间部分，并对未遮盖部分进行电学隔离，然后清洗，得到金刚石基背栅型场效应晶体管。进一步的，步骤6)中氢化处理是在单晶金刚石外延薄膜表面下得到二维空穴气层；其载流子浓度为2×1011-2×1015cm2，迁移率为20-200cm2/V·s，方块电阻小于20KΩ/□。进一步的，步骤8)中的电学隔离是对单晶金刚石外延薄膜裸露表面处理，并使其电阻率大于100MΩ·cm。进一步的，步骤3)中外延单晶金刚石外延薄膜的技术是微波等离子体气相化学沉积技术、热丝化学气相沉积技术或直流喷射等离子体技术；进一步的，步骤4)中的刻蚀技术是使用干法刻蚀或湿法刻蚀技术；刻蚀深度到达背栅极为宜。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术采用背栅型设计，将金刚石基氢终端场效应晶体管的导电部分全部裸露出来，这样即使在长期使用或是高温过冲条件下造成氢终端导电沟道退化甚至失效的情况下，可以将器件置于氢等离子体环境中，使得导电沟道表面区域得到重新氢化，恢复导电性能，实现场效应晶体管的重复使用。附图说明图1为一种金刚石基背栅型氢终端场效应晶体管的结构示意图；图2-1至图2-7为本专利技术金刚石基背栅型氢终端场效应晶体管的制备方法流程图；其中，图2-2(a)为步骤2)结构的主视图，图2-2(b)为图2-2(a)所示结构的俯视图；图2-3(a)为步骤3)结构的主视图，图2-3(b)为图2-3(a)所示结构的俯视图；图2-4(a)为步骤5)结构的主视图，图2-4(b)为图2-4(a)所示结构的俯视图；图2-5(a)为步骤6)结构的主视图，图2-5(b)为图2-5(a)所示结构的俯视图；图2-6(a)为步骤7)结构的主视图，图2-6(b)为图2-6(a)所示结构的俯视图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术详细说明。请参阅图1所示，本专利技术提供了一种金刚石基背栅型氢终端场效应晶体管，包含金刚石衬底1、背栅极2、源极3、栅引出电极4、漏极5和单晶金刚石外延薄膜6。金刚石衬底1的上表面中心区域设有背栅极2，背栅极2上设有栅引出电极4；金刚石衬底1的上表面覆盖一层单晶金刚石外延薄膜6，单晶金刚石外延薄膜6将背栅极2包裹于其中，栅引出电极4的上部伸出单晶金刚石外延薄膜6的顶部。单晶金刚石外延薄膜6的顶部设有源极3和漏极5，源极3和漏极5分别位于未露出单晶金刚石外延薄膜6的背栅极2的两侧，源极3和漏极5间距大于背电极2的宽度；源极3和漏极5的范围不大于未露出的背栅极2范围。金刚石衬底1为本征金刚石材料，均方根表面粗糙度小于0.5nm，拉曼半峰宽小于6cm-1，X射线衍射半峰宽小于0.1°。单晶金刚石外延薄膜6为本征金刚石材料，厚度为0.05-50μm，电阻率大于100MΩ·cm，均方根表面粗糙度小于0.5nm，拉曼半峰宽小于5cm-1，X射线衍射半峰宽小于0.05°。源极3和漏极5的材质为Pt、Pd、Ir、Au、Ti、Pt/Ir、Pt/Au/Ti等一种金属及相应金属的组合；源极3和漏极5厚度为0.07-1μm；源极3和漏极5与氢化的单晶金刚石外延薄膜6形成欧姆接触；背栅极2和栅引出电极4的材质为Ir、W、Zr、Pt、Ir/W、Pd/Pt/Au、Ti/Au等一种金属及相应金属的组合；背栅极2厚度为0.001-1μm。本专利技术还提供了一种金刚石基背栅型氢终端场效应晶体管制备方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
金刚石基背栅型氢终端场效应晶体管，其特征在于，包含金刚石衬底(1)、背栅极(2)、源极(3)、栅引出电极(4)、漏极(5)和单晶金刚石外延薄膜(6)；金刚石衬底(1)上设有背栅极(2)，背栅极(2)上设有栅引出电极(4)；金刚石衬底(1)的上表面覆盖一层单晶金刚石外延薄膜(6)，单晶金刚石外延薄膜(6)将背栅极(2)包裹于其中，栅引出电极(4)的上部伸出单晶金刚石外延薄膜(6)的顶部；单晶金刚石外延薄膜(6)上还设有源极(3)和漏极(5)。

【技术特征摘要】
1.金刚石基背栅型氢终端场效应晶体管，其特征在于，包含金刚石衬底(1)、背栅极(2)、源极(3)、栅引出电极(4)、漏极(5)和单晶金刚石外延薄膜(6)；金刚石衬底(1)上设有背栅极(2)，背栅极(2)上设有栅引出电极(4)；金刚石衬底(1)的上表面覆盖一层单晶金刚石外延薄膜(6)，单晶金刚石外延薄膜(6)将背栅极(2)包裹于其中，栅引出电极(4)的上部伸出单晶金刚石外延薄膜(6)的顶部；单晶金刚石外延薄膜(6)上还设有源极(3)和漏极(5)。2.根据权利要求1所述的金刚石基背栅型氢终端场效应晶体管，其特征在于，源极(3)和漏极(5)分别位于未露出单晶金刚石外延薄膜(6)的背栅极(2)的两侧，源极(3)和漏极(5)间距大于背电极(2)的宽度；源极(3)和漏极(5)的范围小于或等于未露出的背栅极(2)范围。3.根据权利要求1所述的金刚石基背栅型氢终端场效应晶体管，其特征在于，源极(3)和漏极(5)设置于氢化的单晶金刚石外延薄膜(6)上，并与氢化的单晶金刚石外延薄膜(6)形成欧姆接触。4.根据权利要求1所述的金刚石基背栅型氢终端场效应晶体管，其特征在于，单晶金刚石外延薄膜(6)表面上源极(3)、漏极(5)及源极(3)和漏极(5)之间部分以外的区域经过电学隔离处理。5.根据权利要求1所述的金刚石基背栅型氢终端场效应晶体管，其特征在于，背栅极(2)厚度为0.001-1μm；源极(3)和漏极(5)厚度为0.07-1μm；单晶金刚石外延薄膜(6)为本征金刚石材料；单晶金刚石外延薄膜(6)在背栅极上面部分的厚度高出背栅极(2)0.001-5μm，电阻率大于100MΩ·cm，均方根表面粗糙度小于0.5nm，拉曼半峰宽小于5cm-1，X射线衍射半峰宽小于0.05°。6.根据权利要求1所述的金刚石基背...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏兴，王艳丰，王玮，常晓慧，张景文，卜忍安，侯洵，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61