[发明专利]基于CaF2栅介质的零栅源间距金刚石场效应晶体管及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，具体地说是一种零栅源间距金属-绝缘层-半导体场效应晶体管MISFET，可用于功率器件，数字逻辑电路器件或电力电子器件等。

背景技术

金刚石超宽禁带半导体材料具有高击穿电场，高载流子迁移率，极高热导率等优异的物理特性，在功率器件和电力电子器件上有着广泛的应用前景。然而目前可用于金刚石掺杂的杂质激活能较高，因而体掺杂电导过小，难以应用于电子器件。大部分已报告的金刚石基场效应晶体管都是利用金刚石表面氢化后吸附空气中的活性分子或原子基团，诱导出二维空穴气2DHG，获得表面p型沟道。氢化后的金刚石表面称为氢终端表面，这种二维空穴气的面密度可达10¹²～10¹³cm^-2。

CaF₂是一种禁带宽度高达12eV的介质材料。采用CaF₂栅介质的金刚石场效应晶体管研究说明，CaF₂淀积在金刚石氢终端表面能够提高二维空穴气迁移率，降低器件的导通电阻，提高输出电流。

2003年，S Miyamoto等人比较了基于CaF₂栅介质的金刚石MISFETs与未引入栅介质、器件其他结构参数和工艺相同的金刚石MESFETs的特性，参考Miyamoto S,Matsudaira H,Ishizaka H,et al.High performance diamond MISFETs using CaF 2,gate insulator[J].Diamond&Related Materials,2003,12(3):399-402。研究结果表明，CaF₂栅介质可以减小导通电阻，增加输出电流，提高器件的截止频率f_T。虽然CaF₂栅介质的引入令金刚石场效应晶体管的导通电阻有所减小，但是器件栅源之间的串联电阻仍对器件的跨导和频率特性有不可忽略的限制作用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述金刚石场效应晶体管的不足，提出一种基于CaF₂栅介质的零栅源间距金刚石场效应晶体管及制作方法，以进一步减小器件栅源之间的串联电阻，从而减小导通电阻，增大输出电流和跨导。

为实现上述目的，本发明基于CaF₂栅介质的零栅源间距金刚石场效应晶体管，包括金刚石衬底、衬底上的氢终端表面，源、漏电极位于氢终端表面的两侧，栅介质位于源、漏电极之间的氢终端表面上并覆盖源、漏电极的部分表面，其特征在于：

栅介质层的上方设有栅电极，栅电极的下半部分镶嵌在源、漏电极之间，上半部分隔着栅介质覆盖在源、漏电极之上，形成T型栅结构；

栅极与源极和栅极与漏极之间的间距都为零；

栅介质采用CaF₂。

作为优选，上述金刚石衬底采用单晶或者多晶金刚石。

作为优选，上述CaF₂栅介质层厚度为10～40nm。

作为优选，上述T型栅电极的上半部分长度为0.4～10μm，厚度为80～180nm,下半部分长度为0.2～6μm，厚度为80～180nm

作为优选，上述源、漏电极采用厚度为80～180nm的金属Au。

为实现上述目的，本发明基于CaF₂栅介质的零栅源间距金刚石场效应晶体管制作方法，包括如下步骤：

1)利用微波等离子体化学气相淀积法MPCVD生长单晶或者多晶金刚石薄膜作为器件的衬底；

2)在800～950℃下，将衬底置于氢等离子体中处理5～30min，并在氢气氛围中冷却到室温，形成氢终端表面；

3)在氢终端表面利用热蒸发或电子束蒸发淀积一层厚度为80～180nm的金膜，以与氢终端表面形成欧姆接触，同时保护氢终端表面。

4)在金膜上旋涂光刻胶，利用光刻机进行曝光，做出隔离区图案，然后利用KI/I₂溶液腐蚀掉隔离区中的金膜，暴露出氢终端表面；再把腐蚀后的样品置于低功率的氧等离子体，使暴露出的氢终端表面转换为高阻的氧终端表面，形成器件的隔离区；去除残余的光刻胶；

5)旋涂光刻胶，然后光刻出栅窗口图形；

6)以KI/I₂溶液作为腐蚀溶液，用湿法腐蚀的方法腐蚀掉栅窗口下方的金膜，剩余的Au作为器件的源极和漏极；

7)去除步骤5)中残余的光刻胶；