V2O5/Al2O3双层栅介质的金刚石场效应晶体管及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于V2O5/Al2O3双层栅介质的金刚石金属氧化物半导体场效应晶体管，主要解决现有技术器件导通电阻大，输出电流和跨导小以及击穿电压低的问题。其自下而上包括金刚石衬底(1)、吸附层(2)和栅介质层(3)，该栅介质层(3)采用V2O5/Al2O3双层结构；栅介质层(3)的上面是栅电极(4)，栅介质层(3)的两侧设有源漏电极(5)，栅电极(4)和源漏电极(5)的表面覆盖有钝化层(6)；该钝化层(6)采用V2O5材料，其与栅电极(4)和源漏电极(5)的键合处分别设有通孔(7)。本发明专利技术具有导通电阻和串联电阻小，输出电流与跨导大，稳定性好的优点，可用于小尺寸的微波功率器件。

Diamond field effect transistor of V2O5/Al2O3 double gate dielectric and its fabrication method

The invention discloses a diamond metal oxide semiconductor field effect transistor based on V2O5/Al2O3 double-layer gate dielectric, which mainly solves the problems of large conduction resistance, small output current and small transconductance and low breakdown voltage of the existing technology devices. The utility model comprises a diamond substrate (1), adsorption layer (2) and the gate dielectric layer (3), the gate dielectric layer (3) using V2O5/Al2O3 double layer structure; the gate dielectric layer (3) is above the gate electrode (4), the gate dielectric layer (3) are arranged on both sides of the source and drain electrodes (5) the gate electrode, the source electrode and the drain electrode (4) and (5) surface covered with the passivation layer (6); the passivation layer (6) made of V2O5 material, and the gate electrode (4) and the source drain electrodes (5) are respectively provided with a through hole of the key (7). The invention has the advantages of low conduction resistance and series resistance, high output current and large transconductance and good stability, and can be used in small size microwave power devices.

【技术实现步骤摘要】
V2O5/Al2O3双层栅介质的金刚石场效应晶体管及制作方法
本专利技术属于微电子器件
，具体地说是一种V2O5/Al2O3双层栅介质的金刚石场效应晶体管，可用于微波功率器件或高温数字电路。
技术介绍
金刚石作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大，热导率高，击穿电场高以及载流子迁移率高等优异的物理特性，这使得金刚石器件在高压大功率和极端环境应用场合有着巨大的应用潜力。此外，金刚石材料还具有与众不同的表面特性。其表面在氢化处理后会形成氢终端，氢终端吸附空气中的活性分子或原子基团，使金刚石表面出现空穴的积累。这些空穴被限定在非常接近表面的范围内，形成二维空穴气2DHG。通常这种2DHG面密度为1012～1014cm-2，迁移率为10～200cm2/V·s，使金刚石表面电阻达到2～20kΩ/sq。目前金刚石氢终端已广泛用于表面沟道场效应晶体管的制备。但是由于氢终端表面的空气吸附物受热容易解吸附，这种由空气吸附物诱生的2DHG对空气条件和温度十分敏感，使得氢终端表面电导不稳定。为了提高2DHG的稳定性，目前一些具有高功函数的过渡金属氧化物材料备受关注，如V2O5，MoO3，WO3等。在氢终端表面淀积这些介质可以提高2DHG浓度和稳定性。2016年ClaudioVerona等人利用V2O5作绝缘介质，在氢终端表面制备了金属-绝缘介质-半导体场效应晶体管，增大了器件工作的温度范围，提高了输出电流与跨导。参见ClaudioVerona,WalterCiccognani,SergioColangeli,ErnestoLimiti,MarcoMarinelli,GianlucaVerona-Rinati,DomenicoCannatà,MassimilianoBenetti,andFabioDiPietrantonio.V2O5MISFETsonH-TerminatedDiamond[J].TransactionsonElectronDevicesIEEE,2016,63(12):4647-4653.然而采用这种方法制备的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET输出电流和击穿电压低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述氢终端金刚石场效应器件的不足，提出一种基于V2O5/Al2O3双层栅介质的金刚石场效应晶体管及制作方法，以在保证金刚石器件的稳定性的同时提高输出电流，减小栅漏电，提高器件的击穿电压。为实现上述目的，本专利技术基于V2O5/Al2O3双层栅介质的金刚石场效应晶体管，自下而上包括金刚石衬底、吸附层和栅介质层，栅介质层的上面是栅电极，栅介质层的两侧设有源漏电极，栅电极和源漏电极的表面覆盖有钝化层，钝化层与源、栅、漏电极的键合处分别设有通孔，其特征在于：栅介质层采用V2O5/Al2O3双层栅介质，钝化层采用V2O5材料。作为优选，衬底采用单晶或者多晶金刚石。作为优选，栅介质层中的V2O5层厚度为3～50nm，Al2O3层厚度为5～50nm。作为优选，栅电极采用厚度为80～160nm金属Al。作为优选，源漏电极采用厚度为80～160nm的金属Pd。作为优选，钝化层采用厚度为30～90nm的过渡金属氧化物V2O5。为实现上述目的，本专利技术制备基于V2O5/Al2O3双层栅介质的金刚石场效应晶体管的制造方法，包括如下步骤：1)采用微波等离子体化学气相沉积MPCVD方法生长出的单晶或多晶金刚石作为器件的衬底；2)在750～950℃温度下，将金刚石衬底置于氢等离子中5～30min，使金刚石表面形成氢终端，氢终端表面吸附空气中的活性物质或原子基团形成吸附层；3)在氢终端表面旋涂光刻胶，利用光刻机进行曝光，做出源极和漏极图案；4)在已完成的结构表面上热蒸发淀积一层80～160nm厚的钯膜，以与氢终端表面形成欧姆接触，再剥离得到器件的源极和漏极；5)在栅窗口处依次淀积一层3～50nm厚的V2O5介质和一层5～50nm厚的Al2O3作为器件的栅介质层；6)利用金属蒸发在栅介质层上沉积一层80～160nm厚的铝膜，然后经过剥离工艺，得到双层栅介质和Al形成的复合栅电极结构；7)在步骤6)完成后的结构表面利用热蒸发淀积一层30～90nm厚的V2O5，将源、漏和栅极完全覆盖，作为钝化层；8)在步骤7)完成后的结构表面涂胶光刻，在源、栅、漏电极上方形成通孔图形，再刻蚀掉通孔图形下方的V2O5钝化层，获得暴露出源、漏、栅电极金属的电极通孔；9)在步骤8)完成后的结构表面淀积一层金属Au，然后剥离得到加厚电极，完成器件的制备。本专利技术具有如下优点：1.本专利技术器件采用V2O5/Al2O3双层结构作为栅介质，通过V2O5介质层提高了沟道中二维空穴气的浓度与稳定性，降低了器件的导通电阻，提高了输出电流与跨导；通过Al2O3介质层降低了栅漏电，提高了器件的击穿电压，其整个V2O5/Al2O3双层结构减小了栅极电容改善了器件的频率特性；2.本专利技术器件由于采用V2O5作为钝化层，降低了串联电阻，提高了器件的稳定性。3.本专利技术制备方法在淀积栅介质层之前由于不对氢终端表面进行退火处理，不仅减少了制备的工艺步骤，而且制备得到的器件导通电阻低，提高了器件的输出电流和跨导。附图说明图1是本专利技术器件的结构示意图；图2是图1中水平方向的剖视图；图3是图1中垂直方向的剖视图；图4是本专利技术器件的制作工艺流程示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步详细描述。参照图1、图2和图3，本专利技术器件包括金刚石衬底1、吸附层2、V2O5/Al2O3双层栅介质3、栅电极4、源漏电极5和V2O5钝化层6。其中衬底1为最下层，其采用是单晶或者多晶金刚石；衬底1上面是吸附层2；吸附层2上面中间部分是V2O5/Al2O3双层栅介质3，其由厚度为3～50nm的V2O5介质层和厚度为5～50nm的Al2O3介质层组成；V2O5/Al2O3双层栅介质3上面是由厚度为80～160nm的铝层构成栅电极4；吸附层2上面两侧部分分别是由厚度为80～160nm的钯层构成的源极和漏极5，钝化层6覆盖在源、漏和栅极表面，该钝化层6采用厚度为30～90nm厚的V2O5，钝化层6与栅电极4和源漏电极5的键合处分别设有通孔7。参照图4，本专利技术制备基于V2O5/Al2O3双层栅介质的金刚石场效应管的方法，给出如下三种实施例。实施例1：制作衬底为单晶金刚石，V2O5/Al2O3双层栅介质厚度为8nm的金刚石场效应晶体管。步骤1：将单晶金刚石衬底暴露在反应室中的氢等离子体中使衬底表面转换成氢终端，氢终端表面吸附空气中的活性物质或原子基团形成吸附层，如图4(a)，其工艺条件如下：氢气流量为500sccm，压强为80mbar，微波功率为1.5kw，反应温度为750℃，反应时间为5min。步骤2：在氢终端表面旋涂光刻胶，利用接触式光刻进行曝光，做出源极和漏极图案。步骤3：制作源、漏电极。在已完成的结构表面上热蒸发淀积一层80nm厚的钯膜，以与氢终端表面形成欧姆接触，再进行金属剥离得到器件的源极和漏极，结果如图4(b)。步骤4：制作栅介质层。采用真空热蒸发技术在源漏电极之间，依次沉积一层3nm厚的V2O5和一层5nm厚的Al2O3作为双层栅介质层，结果如图4(c)。步骤5：制作栅电极。利用金属蒸发，在V2O5/Al2O3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于V2O5/Al2O3双层栅介质的金刚石金属氧化物半导体场效应晶体管，自下而上包括金刚石衬底(1)、吸附层(2)和栅介质层(3)，栅介质层(3)的上面是栅电极(4)，栅介质层(3)的两侧设有源漏电极(5)，栅电极(4)和源漏电极(5)的表面覆盖有钝化层(6)，钝化层(6)与栅电极(4)和源漏电极(5)的键合处分别设有通孔(7)，其特征在于：栅介质层(3)采用V2O5/Al2O3双层栅介质，钝化层(6)采用V2O5材料。

【技术特征摘要】
1.一种基于V2O5/Al2O3双层栅介质的金刚石金属氧化物半导体场效应晶体管，自下而上包括金刚石衬底(1)、吸附层(2)和栅介质层(3)，栅介质层(3)的上面是栅电极(4)，栅介质层(3)的两侧设有源漏电极(5)，栅电极(4)和源漏电极(5)的表面覆盖有钝化层(6)，钝化层(6)与栅电极(4)和源漏电极(5)的键合处分别设有通孔(7)，其特征在于：栅介质层(3)采用V2O5/Al2O3双层栅介质，钝化层(6)采用V2O5材料。2.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其特征在于，衬底(1)采用单晶或者多晶金刚石。3.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其特征在于，双层栅介质层(3)中的V2O5层厚度为3～50nm，Al2O3层厚度为5～50nm。4.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其特征在于，栅电极(4)采用厚度为80～160nm金属Al。5.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其特征在于，源漏电极(5)采用厚度为80～160nm的金属Pd。6.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其特征在于，钝化层(6)采用厚度为30～90nm的过渡金属氧化物V2O5。7.一种基于V2O5/Al2O3双层栅介质的金刚石场效应晶体管的制造方法，包括如下步骤：1)采用微波等离子体化学气相沉积MPCVD方法生长出的单晶或多晶金刚石作为器件的衬底；2)在800～950℃温度下，将金刚石衬底置于氢等离子中5～30min，使金刚石表面形成氢终端，氢终端表面吸附空气中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金风，陈万娇，任泽阳，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61