[发明专利]一种氢终端金刚石/氧化镓异质集成互补器件及制备方法

说明书

本发明涉及一种氢终端金刚石/氧化镓异质集成互补器件及制备方法，CMOS反相器包括：金刚石衬底层、氧化镓衬底层、第一源电极、第一漏电极、第一介质层、第一栅电极、氢终端表面层、第二源电极、第二漏电极、第二介质层和第二栅电极。本发明实施例通过异质集成的方法将氢终端金刚石PMOS和氧化镓NMOS结合在一起制备超宽禁带半导体CMOS器件，有效解决了金刚石难以实现n型掺杂、氧化镓难以实现p型掺杂的关键难题，保证了器件的各自的高性能和整体的高质量，实现了适合超高温、强辐照环境应用的高性能超宽禁带半导体CMOS反相器。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种氢终端金刚石/氧化镓异质集成互补器件及制备方法。

背景技术

近年来，为适应市场应用需求，半导体材料的更新换代不断加快：从以硅(Si)、锗(Ge)为代表的第一代半导体材料，到以砷化镓(AsGa)为主的第二代半导体材料，再到目前应用较广泛的氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等第三代半导体材料，朝着禁带宽度更大、应用场景更广泛的方向进步。近年来，禁带宽度更大的金刚石、氧化镓(Ga₂O₃)等超宽禁带半导体材料逐渐进入了大家的视野之中。

与前几代半导体材料相比，氧化镓(Ga₂O₃)具有更大的禁带宽度(4.6～4.9eV)和更高的击穿场强(8MV/cm)，同时，其Baliga优值更是高达3000，是氮化镓(GaN)的4倍，碳化硅(SiC)的10倍之多。除此之外，氧化镓(Ga₂O₃)其他的理化性质也较为稳定，包括电学特性和发光特性等。在材料生长和制备方面，氧化镓材料能够在保证低位错的基础上进行大面积生长，这就突出了其低成本的巨大优势。然而，氧化镓材料在应用过程中，仍然存在一些问题亟待解决。一方面，以应用较广泛的β-Ga₂O₃为例，其中存在较多施主缺陷，如氧空位、镓空位、间隙氧和间隙镓等，这使其天然存在一定的n型电导率，从而较易实现高质量n型掺杂，可用于高性能n型器件的制备，但实现β-Ga₂O₃的高质量p型掺杂变得十分困难；此外，氧化镓材料热导率极低，在实际应用中会由于热效应导致器件性能降低。

同样属于超宽禁带半导体材料的金刚石，禁带宽度大(5.47eV)，击穿场强高(10MV/cm)，载流子迁移率高(电子4500cm²/V·s，空穴3800cm²/V·s)，热导率高(22W/cm·K)，Baliga优值极高，比较适合应用于较为严苛的环境之中。研究发现，将经过氢等离子体处理的氢终端金刚石暴露在空气中一段时间，其表面会形成一层二维空穴气(2DHG)，表现为p型电导，空穴浓度一般在10¹²-10¹⁴cm^-2，表面空穴迁移率一般在300cm²/V·s左右，因此可用于制备高性能p型场效应晶体管。但其n型掺杂难以实现。

作为逻辑电路应用中的重要组成部分，CMOS反相器的设计一直都是一个研究热点。在应用中，CMOS反相器具有静态功耗小、输出摆幅大和抗干扰能力强等优点。然而，对于传统Si基CMOS反相器，现有超宽禁带半导体自身难以同时实现制备CMOS器件所需的n型和p型掺杂的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种氢终端金刚石/氧化镓异质集成互补器件及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种氢终端金刚石/氧化镓异质集成互补器件，包括：金刚石衬底层、氧化镓衬底层、第一源电极、第一漏电极、第一介质层、第一栅电极、氢终端表面层、第二源电极、第二漏电极、第二介质层和第二栅电极，其中，