[发明专利]金刚石晶体管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用金刚石材料制成的晶体管，尤其是场效应晶体管(FET)，还涉及制造这种晶体管的方法。

背景技术

现在大多都是基于硅和砷化镓器件来产生高频(HF)和微波信号。由于受到物理条件限制，这些器件在简单固态器件结构中不能实现高于几百瓦特(根据要放大的频率而定)的功率电平。宽带隙材料(金刚石、SiC、GaN等等)在理论上可以在微波频率下获得较高的单位栅极长度的功率放大。这是因为跨在其上调制电流的晶体管沟道区可以支持更大偏压以及微波信号的电压振幅。实际上，开发出宽带隙半导体的更高击穿电场。在微波功率晶体管中，支持高电压的能力尤其令人满意，这是因为，通常情况下，功率必须传输到相对高阻抗(50欧姆)负载。

在制造这种晶体管时利用金刚石已经在以下公开出版物中公开：JP-A-60246627、EP0343963 B1和US005491348A。

本发明的目的在于，提供一种具有便于制造和性能方面的特殊优势的替代晶体管结构及其制造方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种制造晶体管的方法，包括以下步骤：

(a)提供衬底，该衬底包括单晶金刚石材料，该单晶金刚石材料具有生长表面，在该生长表面上沉积其它金刚石材料层，该生长表面或其区域具有3纳米或更低的均方根粗糙度或没有大于3纳米的台阶或凸起；

(b)在该衬底生长表面上沉积多个其它金刚石层；以及

(c)将合适接触连接到相应金刚石层，从而限定出晶体管结构。

在本发明的一个实施例中，该衬底的生长表面或其区域优选具有小于1纳米、更优选小于0.1纳米以及最优选小于0.05纳米的均方根(rms)粗糙度(或R_Q)。由于在整个申请中大量采用R_A和R_Q，所以有必要陈述它们两者之间的关系：对于表面高度的高斯分布，R_Q＝1.25R_A。

该衬底的表面的进一步特征在于它的R_T值，其中这是测得的最大峰谷高度。由于在具有大R_T值的表面上存在少量深坑或高隆起，所以具有小R_A或R_Q的表面仍然是不合适的。优选的是，该衬底的R_T值小于3纳米，更优选为小于1纳米，进一步优选为小于0.5纳米以及最优选为小于0.2纳米。

满足rms、R_Q、R_A和R_T粗糙度要求所需的区域横向范围优选由该器件或者所电连接到的器件组件的横向范围来限定，或者更优选为这些横向尺寸的两倍，以及最优选为这些横向尺寸的三倍。

该器件包括源极、漏极、栅极、沟道和接触区，这是本领域公知的。

所电连接到的器件组件是指这样的两个或多个器件，它们被连接而使得相当于单个器件，而其电特性(尤其是总体功率和总体电流处理能力)大于各个单独的器件的电特性。

至于绝对尺寸，单独的器件可以具有小至1微米×1微米的横向尺寸。组件可以包围整个金刚石晶片；可以想象到在未来这可以是100毫米×100毫米或者甚至更大。

该生长表面的高平整度或平滑度是为要在其上制造的后续薄器件层提供合适表面所需的。在许多应用场合中，除rms粗糙度之外的关键参数是没有高于指定尺寸的台阶，该指定尺寸通常是在应用任何可选其它平整度处理之前在该结构中采用的最薄后续层的厚度的分数倍。

因此，在本发明的替换实施例中，任何台阶或凸起的高度优选小于该最薄的相邻层厚度的50％、更优选小于20％、进一步优选小于10％、再进一步优选小于5％、以及最优选小于2％，其中台阶或凸起定义为表面高度在平行于该表面并且等于或大于最薄的相邻层的厚度的距离上的变化。

优选地，该台阶或凸起定义为表面高度在平行于该表面并且等于最薄的相邻层的厚度的至少两倍、更优选5倍以及最优选10倍的距离上的变化。

换言之，这意味着，晶体管结构中两个相邻层之间的界面的清晰程度(sharpness)应当小于该材料的德拜长度(Debye-length)。

由于在许多器件结构中，关键栅极结构是线性结构或者类似线性结构，所以，提供沿特定方向具有比沿该表面上的正交方向更低的表面粗糙度或更低的最大台阶高度是有利的，其中该方向随后作为该线性特征的主要尺寸的方向，例如横向延伸栅极的方向。