一种基于金刚石衬底的MOSFET器件的结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于金刚石衬底的MOSFET器件的结构及其制备方法，属于微电子技术领域，包括金刚石衬底、设于金刚石衬底上下两端的氢终端层、分别设于金刚石衬底两侧的源电极和漏电极、在氢终端层的表面设置的栅介质层以及设置在栅介质层表面的栅电极，采用本方法形成的双栅金刚石器件，可以在保持阈值电压基本不变的情况下提高金刚石器件的最大饱和电流和跨导，将器件的开关比提高近3个数量级，降低器件的输出电阻，大幅度提高金刚石器件的截止频率，而且制造工艺简单，重复性好的特点。重复性好的特点。重复性好的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于金刚石衬底的MOSFET器件的结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于微电子
，具体涉及一种基于金刚石衬底的MOSFET器件的结构及其制备方法，制备的器件可用于高压高频率应用场合以及构成数字电路基本单元。

技术介绍

[0002]金刚石被称为半导体材料的中的终极材料，具有宽禁带、高击穿电场、高频、耐高温等优异性质。单晶金刚石与氢气在金刚石表面形成氢终端，该结构在室温下可以获得高于4500cm2/Vs的电子迁移率，以及高达1.5
×
107cm/s的饱和电子速度，并且可以获得高达10
12
‑
10
14
cm
‑2的二维空穴气密度，高达5.5eV左右的禁带宽度使得金刚石具有良好的抗击穿能力，其最高击穿场强可达到10MV/cm，这一值约为GaN的3.3倍，约为Si的33倍。除了击穿电场高之外，金刚石的热导率也很高，达到了2200W/m
·
K，有着很好的散热性。这体现了金刚石是一种制作高温高压器件的潜力理想材料。
[0003]虽然金刚石基器件的研究已取得了很大的进展，但是由于获得的金刚石材料的质量还不够高，使得金刚石基器件的优越性并未完全体现出来。由于金刚石单晶制备困难，目前金刚石薄膜主要是在单晶金刚石衬底上通过同质外延获得的，制备出的金刚石基MOSFET器件在最大饱和电流、跨导、器件的开关比、、输出电阻、截止频率等方面均存在不足。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述问题，针对金刚石器件的栅极结构，改善器件栅极的栅控能力，从器件结构的优化角度提出一种基于氢终端金刚石器件水平双栅器件结构及其制作方法，在相同材料、工艺下对器件的基本性能进行了优化。
[0005]本专利技术的器件结构包括金刚石衬底、设于金刚石衬底上下两端的氢终端层、分别设于金刚石衬底两侧的源电极和漏电极、在氢终端层的表面设置的栅介质层以及设置在栅介质层表面的栅电极。
[0006]优选的，所述金刚石衬底由金刚石在MPCVD设备中经过同质外延形成，生长过程中使用H2和CH4的混合气体，其中CH4的占比为3％～7％。
[0007]优选的，所述氢终端层是采用MPCVD技术，将金刚石衬底放置在MPCVD腔体内，用氢等离子体处理10min形成；
[0008]处理时的温度700
‑
900℃，形成表面吸附层，产生由能带弯曲而形成空穴堆积。
[0009]优选的，所述源电极和漏电极是在金刚石衬底的两侧淀积100nm的Au，与金刚石衬底表面形成欧姆接触。
[0010]优选的，所述栅电极为常规的肖特基接触或者金属
‑
介质层
‑
半导体结构。
[0011]优选的，所述栅介质层为Al2O3薄膜材料。
[0012]优选的，所述金刚石衬底采用单晶金刚石。
[0013]一种基于金刚石衬底的MOSFET器件的结构的制备方法，包括如下步骤：
[0014]S1：采用MPCVD生长的无颜色的单晶金刚石作为衬底，在700
‑
900℃温度下，将金刚
石衬底上下表面分别暴露在氢等离子中5
‑
15min以形成氢终端层，氢气流速为450
‑
550sccm；
[0015]S2：在具有氢终端层的金刚石衬底两侧，利用电子束蒸发淀积一层50
‑
150nm厚的Au，与金刚石衬底表面形成欧姆接触作为源电极、漏电极；
[0016]S3：在上一个步骤获得的样品上下表面分别淀积4nm厚的Al，然后在70
‑
90℃下退火25
‑
35min形成3
‑
10nm厚的Al2O3作为栅介质层；
[0017]S4：最后在栅介质层的表面淀积90
‑
110nm的Al，剥离形成栅电极，完成器件的制备。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：
[0019]该器件是一种金刚石基的MOSFET(即金属
‑
氧化物半导体场效应晶体管)器件，采用本方法形成的双栅金刚石器件，可以在保持阈值电压基本不变的情况下提高金刚石器件的最大饱和电流和跨导，将器件的开关比提高近3个数量级，降低器件的输出电阻，大幅度提高金刚石器件的截止频率，而且制造工艺简单，重复性好的特点；同时结合金刚石器件原有的高击穿电压、高电流密度、以及优良的夹断特性，适用于高压大功率电子器件和射频微波功率器件等领域。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例提供的一种基于金刚石衬底的MOSFET器件的结构的结构示意图。
[0021]图2为单栅和双栅氢终端金刚石器件的转移特性曲线。
[0022]图3为单栅和双栅氢终端金刚石器件的截止频率和最大震荡频率。
[0023]其中：101
‑
金刚石衬底，102
‑
氢终端层，103
‑
源电极，104
‑
漏电极，105
‑
栅介质层，106
‑
栅电极。
具体实施方式
[0024]为使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本专利技术。
[0025]本实施例提供了一种基于金刚石衬底的MOSFET器件的结构，包括金刚石衬底101、设于金刚石衬底101上下两端的氢终端层102、分别设于金刚石衬底101两侧的源电极103和漏电极104、在氢终端层102的表面设置的栅介质层105以及设置在栅介质层105表面的栅电极106。
[0026]在本实施例中，所述金刚石衬底101由金刚石在MPCVD设备中经过同质外延形成，生长过程中使用H2和CH4的混合气体，其中CH4的占比为3％～7％。
[0027]在本实施例中，所述氢终端层102是采用MPCVD技术，将金刚石衬底101放置在MPCVD腔体内，用氢等离子体处理10min形成；
[0028]处理时的温度700
‑
900℃，形成表面吸附层，产生由能带弯曲而形成空穴堆积。
[0029]在本实施例中，所述源电极103和漏电极104是在金刚石衬底101的两侧淀积100nm的Au，与金刚石衬底101表面形成欧姆接触。
[0030]在本实施例中，所述栅电极106为常规的肖特基接触或者金属
‑
介质层
‑
半导体结
构。
[0031]在本实施例中，所述栅介质层105为Al2O3薄膜材料。
[0032]在本实施例中，所述金刚石衬底101采用单晶金刚石。
[0033]本专利技术的器件结构具体采用以下步骤制得：
[0034]实施例1：
[0035]S1：采用MPCVD生长的无颜色的单晶金刚石101作为衬底，在850℃温度下，将金刚石衬底101上下表面分别暴露在氢等离子中1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于金刚石衬底的MOSFET器件的结构，其特征在于，包括金刚石衬底(101)、设于金刚石衬底(101)上下两端的氢终端层(102)、分别设于金刚石衬底(101)两侧的源电极(103)和漏电极(104)、在氢终端层(102)的表面设置的栅介质层(105)以及设置在栅介质层(105)表面的栅电极(106)。2.根据权利要求1所述的一种基于金刚石衬底的MOSFET器件的结构，其特征在于：所述金刚石衬底(101)由金刚石在MPCVD设备中经过同质外延形成，生长过程中使用H2和CH4的混合气体，其中CH4的占比为3％～7％。3.根据权利要求1所述的一种基于金刚石衬底的MOSFET器件的结构，其特征在于：所述氢终端层(102)是采用MPCVD技术，将金刚石衬底(101)放置在MPCVD腔体内，用氢等离子体处理10min形成；处理时的温度700
‑
900℃，形成表面吸附层，产生由能带弯曲而形成空穴堆积。4.根据权利要求1所述的一种基于金刚石衬底的MOSFET器件的结构，其特征在于：所述源电极(103)和漏电极(104)是在金刚石衬底(101)的两侧淀积100nm的Au，与金刚石衬底(101)表面形成欧姆接触。5.根据权利要求1所述的一种基于金刚石衬底的MOSFET器件的结构，其特征在于：所述栅电极(106)为常规的肖特基接触或者金属
‑
介质层
‑
半导体结构。6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈军飞，王东，吴勇，陈兴，黄永，操焰，崔傲，袁珂，谷露云，汪琼，陆俊，季亚军，孙凯，张进成，
申请(专利权)人：西安电子科技大学芜湖研究院，
类型：发明
国别省市：