[发明专利]低功函数导电栅极的金刚石基场效应晶体管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种低功函数导电栅极的金刚石基场效应晶体管及其制备方法，包括：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源极和漏极；源极和漏极之间的单晶金刚石外延薄膜上形成有导电沟道；导电沟道上设置有低功函数导电栅极层，低功函数导电栅极层上设置有栅电极；其中，低功函数导电栅极层与导电沟道接触，能够产生达到预设阈值的势垒高度，用于夹断沟道。本发明的金刚石基场效应晶体管，利用肖特基势垒产生的空间电荷区将氢终端金刚石表面产生的二维空穴气完全耗尽，夹断沟道实现常关型器件特性；本发明不会损伤导电沟道的性能，同时能够保证器件源漏之间的电流通过能力。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种常关型金刚石基场效应晶体管及其制备方法，特别涉及一种低功函数导电栅极的金刚石基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，第三代宽禁带半导体和第二代半导体都为化合物半导体，其本身及其异质结的制备存在很大的困难。比如Ⅲ-Ⅴ族氮化物AlGaN/GaN异质结目前虽然可以获得较高浓度和较高迁移率的二维电子气，可以制备出输出功率密度达到几十W/mm@几GHz的HEMT器件，但由于其异质结失配所造成的失配位错等缺陷、以及自发极化和压电极化所造成的复杂界面特征大大地限制其工作特性；虽然InAlN/GaN异质结可获得晶格匹配的异质结，已有报道其f_max可达370GHz，但由于In组分控制的困难，以及Al组分极易氧化的特点，使其异质结界面缺陷密度仍然很高，其输出功率密度仍然很小。此外，由于其热导率低，很难满足超高频和超大功率器件的应用要求。SiC虽然由于其禁带宽度大、器件工艺与硅工艺兼容，热导率较高的特点受到了科学界的普遍看好；但其结构的多形性、以及单晶微管缺陷难以控制的特点大大影响了其用于制作MMIC的困难。

相比之下，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对于制备超高频、超大功率电子器件都具有综合的先天优势，性能全面超越其他半导体，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。

请参阅表1，表1为金刚石材料指数与Si、GaN、SiC的对比。表1给出了金刚石材料的Johnson指数、Keyes指数以及Baliga指数与Si、GaN和SiC的比较，其性能远远优于Si以及第三代半导体的代表GaN和SiC；展现了其在频率、功率方面的巨大优势，同时其在对材料体积、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的对比