[发明专利]一种纳米晶金刚石薄膜场效应晶体管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种基于p型未掺杂纳米晶金刚石薄膜场效应晶体管的制造方法，属于无机非金属材料器件制造工艺领域。

背景技术

近年来，光电子技术在高度信息化社会起到越来越重要的作用，光子集成和光电子集成技术对器件的功率、频率、工作温度等提出了更高的要求。由双极型晶体管(BJT)或场效应晶体管(FET)等三端器件构成的光电器件-光敏晶体管具有重要的应用前景。相对双极型光敏晶体管来说，场效应光敏晶体管可实现极高速光探测，响应时间可达几十ps，可望在光电集成中得到广泛应用。目前FET一般采用Si和GaAs材料。传统的硅器件，在高频、大功率领域越来越显示其局限性，且不适宜于高辐射条件。GaAs器件虽然可以获得优异的高频特性，但由于材料的击穿场强和热导率低，无法实现大功率工作。目前这方面的研究主要集中于SiC、GaN和金刚石等宽禁带半导体材料，由于材料本身的限制，基于SiC或GaN材料的器件无法很好地解决散热问题。金刚石是一种集多种优良性能于一体的功能材料，具有高击穿电场、高饱和载流子漂移速率、高热导率等特性。另外，金刚石还具有良好的化学稳定性、优良的机械性能、磨擦性能、耐高温性能及与生物体有良好的兼容性，已引起微电子技术、光电子技术、微机械等领域的广泛关注，成为新材料研究的热点之一。20世纪80年代，化学气相沉积(CVD)法合成金刚石薄膜技术和p型掺杂技术取得突破性进展，使人们大规模利用金刚石的愿望得以实现。研究表明：基于金刚石薄膜的电子器件能够在硅器件无法应用的场合发挥不可替代的作用，可实现高温、高速、高功率和抗辐射器件，因此被公认为是最有发展前途的新型电子材料之一。

由于金刚石n型掺杂技术还未突破，目前报道的所有金刚石基FET均为p型硼(B)掺杂沟道器件或p型非掺杂氢(H)终端表面沟道器件。但由于硼受主激活能较大(370meV)，甚至在高温下也不能完全激活，导致B掺杂沟道FET具有较小的漏极电流和跨导，且在高温、大电压下工作时又导致大的反向泄漏电流，不利于器件工作。令人欣慰的是，没有掺杂情况下，CVD金刚石表面通过氢等离子体处理可以获得氢(H)终端p型表面导电沟道，该沟道相当于一个激活能低于23meV的二维空穴气(2DHG)，并成功地被制成了H终端表面沟道FET器件，这种H终端表面沟道器件的制作工艺非常简单，不需要掺杂、氧化和钝化层沉积过程，制作成本明显低于p型B掺杂金刚石FET和硅基FET。然而，目前国际上正在开发的掺杂或未掺杂金刚石基FET均采用微米级多晶金刚石薄膜，表面粗糙度往往较高(典型值为几百个nm至几个μm量级)，需要抛光处理后才能进行器件的电极制作，而由于金刚石硬度很大，通过机械、化学抛光等手段处理非常困难，成本相对太高，限制了金刚石基FET器件的研究，致使其在微电子学、光电子学和生物电子学方面的应用至今尚未完全打开局面。

相对于微米级多晶金刚石薄膜，纳米晶金刚石薄膜表面非常光滑，表面粗糙度可以达到几十个甚至几个纳米量级，不需要后续的抛光处理就可以直接进行电极的精细制作，而且适当的制备工艺下得到的纳米晶金刚石薄膜同样具有p型导电能力，无需进行p型硼掺杂。因此p型未掺杂纳米晶金刚石薄膜场效应晶体管相对于传统的金刚石基晶体管来说，既可以避免掺杂器件激活电压太高，漏极电流太小的缺点，又比多晶金刚石薄膜器件简化了制作工艺，大大降低了制作成本，这必将会极大地促进金刚石基FET器件在各个领域的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米晶金刚石薄膜场效应晶体管的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种纳米晶金刚石薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征在于该工艺具有以下的过程和步骤：

1)硅衬底预处理：采用(100)镜面抛光硅片作为沉积衬底；采用HF酸超声清洗5～15分钟，以去除表面的氧化硅层；为了增加纳米晶金刚石薄膜的成核密度，使用100nm粒径的金刚石粉末对硅衬底机械研磨10～15分钟；将研磨后的硅片在混有100nm金刚石粉的丙酮溶液中超声清洗10～20分钟；最后再将硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗，直至硅片表面洁净，烘干后放入微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置的反应室内；