[发明专利]一种体掺杂金刚石基常关型场效应晶体管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种体掺杂金刚石基常关型场效应晶体管及其制备方法，包含金刚石衬底；金刚石衬底上设有一层单晶金刚石外延薄膜；单晶金刚石外延薄膜上设置有体掺杂单晶外延薄膜和刻蚀区域，刻蚀区域为高肖特基势垒终端；体掺杂单晶外延薄膜上设置有沟道区域；沟道区域包括体掺杂单晶外延薄膜作为导电沟道，且为低肖特基势垒终端；源电极和漏电极处于沟道区域的两侧；源电极和漏电极之间刻蚀区域及沟道区域上设置栅电极。本发明为常关型场效应晶体管，利用体掺杂外延单晶金刚石材料作为导电沟道使用，可发挥金刚石材料耐高温、抗辐射和可在恶略环境工作等优势。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种常关型金刚石基场效应晶体管及其制备方法，具体涉及一种体掺杂金刚石基常关型场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

半导体单晶材料已历经四代的发展。第一代Si、Ge半导体将人类带入了信息时代，同时也带动了电子系统的智能化和信息化。第二代半导体(GaAs、InP、MCT等)为我们带来光电器件、功率电子器件、射频电子器件和空间抗辐照器件等，引发了无线通信、光通信等信息领域的革命。第三代宽禁带半导体(GaN、SiC)已可部分满足新一代电子系统对半导体器件在高频(微波-毫米波)、大功率输出、高温(300-600℃)；短波长(蓝、绿、紫外、深紫外)、抗辐照、抗恶劣环境等方面的要求。

然而，相比之下，如图1所示，金刚石无论从超宽禁带宽度、载流子迁移率、热导率、抗击穿场强、介电常数和饱、抗辐射、耐腐蚀和电子漂移速度等几个方面性能全面超越其他半导体，也拥有最高的Johnson、Keyes及Baliga等品质因子，如表1所示，表1为金刚石材料指数与Si、GaN、SiC的比较；同时最大地覆盖了输出功率和工作频率的应用领域，非常适宜制备超高频、超大功率、耐高温、抗辐射的电子器件，更为重要的是从其物理内禀特性来说，其与硅具有同样的金刚石结构，而且都为单质半导体。因此，在对材料体积、重量、散热、功率密度、可靠性要求均非常高的航天航空、先进装备等领域有着巨大的应用潜力。

表1、金刚石材料指数与Si、GaN、SiC的比较

实验证明，氢终端表面金刚石价带中的电子转移至吸附分子中最低未占据分子轨道(LOMO)上，导致金刚石表面形成一层二维空穴气(2DHG)，能够获得10¹³cm^-2左右的面载流子浓度，以及50-200cm²·V^-1·s^-1范围内的载流子迁移率。金刚石基常关型场效应晶体管大多利用该表面导电层作为导电沟道使用，然而该导电层在高温环境或者氧气气氛下很容易退化或失效，不能够完全发挥金刚石材料耐高温、抗腐蚀等恶略环境下工作的优势。金刚石场效应晶体管绝大多数为常开型即耗尽型器件，然而，常关型即增强型器件在电路应用中也拥有举足轻重的地位。常关型器件在不加栅压的情况下，在击穿之前源漏两端无论加多大电压都不会有电流通过，器件处于关断状态。因此，该类器件能够大大提高整个系统的安全性，同时极大地降低了电路损耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体掺杂金刚石基常关型场效应晶体管及其制备方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的体掺杂金刚石基常关型场效应晶体管，利用刻蚀区域侧壁与栅极金属产生的高肖特基势垒和沟道区域表面与栅极金属产生的肖特基势垒共同作用将栅下(沟道内)载流子完全耗尽，导致导电沟道夹断，使器件显现出常关型特性；通过采用体掺杂金刚石替代氢终端金刚石的二维空穴气作导电沟道，能够解决二维空穴气在高温或氧气环境下沟道电学性能退化甚至消失的问题，同时也能够提高晶体管的击穿场强和电流密度等电学特性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：