CN104992975B - 一种金刚石功率晶体管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种金刚石功率晶体管及其制备方法，该晶体管包括氢终端金刚石、源电极、漏电极、栅介质和栅电极，该金刚石功率晶体管的源电极和漏电极采用环形结构；所述栅电极带有场板结构。本发明由于采用的是环形结构，可以有效地改善晶体管工作时的电流分布，有效的改善电场集中现象，从而可以明显提高器件的击穿电压。并且因为栅电极采用了场板结构，可以改善栅电极处的电流分布，从而可以进一步提高器件的击穿电压；该结构的金刚石功率晶体管，具有高的耐压能力，能够作用于高压高功率领域。
Description
【技术领域】
本发明属于半导体功率器件技术领域，具体涉及一种金刚石功率晶体管及其制作方法。
【背景技术】
目前半导体功率晶体管主要是基于Si、GaN、SiC等材料，但是其材料特性限制了其器件工作于功率领域的性能。而金刚石作为一种宽禁带(5.5eV)半导体材料，其高击穿场强(10MV/cm)、高电子和空穴迁移率(4500cm2/(V·s)和3800cm2/(V·s))和高热导率(22W/(mm·K))，使金刚石在高功率、高温领域有着广泛的应用前景。随着微波等离子化学气相沉积技术的发展，用金刚石制成的半导体器件越来越多，其性能也越来越好，特别是用于高频高功率的场效应晶体管(FET)取得了大幅进步。然而目前所制作的金刚石晶体管中，由于其电极结构不够优化，源、漏方形电极的边缘处容易形成电场集中效应。并且，对于传统栅极结构，在栅极附近也容易形成电场集中，从而造成器件工作在高压时容易发生击穿。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种金刚石功率晶体管及其制作方法，圆环形的源漏电极可以有效改善源、漏电极间的电场分布，避免了方形电极的电场集中效应；并且，栅电极采用了场板结构，可以改善栅极处的电场分布，从而提高了其承受大电压的能力；能够有效地解决现有技术所存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种金刚石功率晶体管，包括氢终端金刚石、源电极、漏电极、栅介质和栅电极，该金刚石功率晶体管的源电极和漏电极采用环形结构。
本发明进一步的改进在于：所述栅电极带有场板结构。
本发明进一步的改进在于：场板结构中栅介质为单一绝缘层或复合层；其中，所述单一绝缘层由氮化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钛中的一种沉积形成，所述复合层为由氮化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钛中多种形成的多个单一绝缘层复合形成。
本发明进一步的改进在于：所述栅电极为单一金属层或复合层，其中，所述单一金属层由铪、铝、锆、钼、铪中的一种沉积形成，所述复合层为由铪、铝、锆、钼、钌中多种形成的多个单一金属层复合形成。
本发明进一步的改进在于：所述源电极和漏电极为单一金属层或复合层，其中，所述单一金属层由钯、钛、金、镍和铂中的一种沉积形成，所述复合层为由钯、钛、金、镍和铂中多种形成的多个单一金属层复合形成。
本发明进一步的改进在于：源电极和漏电极设置在氢终端金刚石上，源电极和漏电极同心设置，源电极为环形，设置于圆形漏电极外围；介质层部分位于源电极和漏电极之间，部分包覆源电极和漏电极的边沿；栅电极设置在介质层上；栅电极一端接触氢终端金刚石，另一端露出在介质层外部；栅电极上设有栅极保护层金属。
本发明进一步的改进在于：栅电极和栅极保护层金属为环形。
金刚石功率晶体管的制作方法，包括以下步骤：
通过化学气相沉积技术获得氢终端金刚石；
然后，在氢终端金刚石沉积源电极和漏电极；
然后，沉积绝缘物质作为栅电极处场板结构的介质层；
然后，沉积栅电极；
最后，在栅电极上沉积栅极保护金属层；
该金刚石功率晶体管的电极为环形结构。
本发明进一步的改进在于：沉积源电极和漏电极后进行退火处理，退火处理完成后沉积介质层。
本发明进一步的改进在于：所述退火处理的具体工艺为：将沉积源电极和漏电极后的器件置于真空、氮气或氩气氛围中，加热到500～1000℃，持续30秒～30分钟。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明一种金刚石功率晶体管，由于采用的是环形结构，可以有效地改善晶体管工作时的电流分布，有效的改善电场集中现象，从而可以明显提高器件的击穿电压。并且因为栅电极采用了场板结构，可以改善栅电极处的电流分布，从而可以进一步提高器件的击穿电压；该结构的金刚石功率晶体管，具有高的耐压能力，能够作用于高压高功率领域。
【附图说明】
图1是本发明中金刚石功率晶体管的俯视结构示意图；
图2是本发明中金刚石功率晶体管的正视结构示意图；
图3是本发明实例中氢终端金刚石示意图；
图4是本发明实例中在氢终端金刚石上沉积欧姆电极后的示意图；
图5是本发明实例中沉积栅介质层后的示意图；
图6是本发明实例中沉积栅极后的示意图。
【具体实施方式】
金刚石功率晶体管是利用金刚石作为半导体具有的优异性质而制成的一种晶体管，它具有高温、高频、高电压、大功率、抗辐射等特点。
为了优化金刚石功率晶体管的性能，科学家一直在改进金刚石功率晶体管的结构。本发明提出的带有场板结构的环形金刚石功率晶体管有效地优化了晶体管工作时的电流分布，能够显著地提高器件的击穿电压和工作功率。
如图2所示，本发明一种金刚石功率晶体管，包括氢终端金刚石11、源电极12、漏电极13、场板介质和栅电极15。其中，构成这种金刚石功率晶体管的电极是环形结构。源电极12和漏电极13沉积在氢终端金刚石11上，源电极12和漏电极13同心设置，源电极12为环形，设置于圆形漏电极13外围。
其中源电极12和漏电极13采用为单一金属层或复合层；其中，单一金属层由钯、钛、金、镍和铂中的一种沉积形成；复合层为由钯、钛、金、镍和铂中一种或多种形成的多个单一金属层复合形成。
栅电极15采用铝、锆、铪、钼、钌中的一种作为肖特基金属。
在栅电极15上覆盖保护金属层16，保护金属层16采用单一金属层或复合层；其中，单一金属层由钯、钛、金、镍和铂中的一种沉积形成；复合层为由钯、钛、金、镍和铂中一种或多种形成的多个单一金属层复合形成。
栅电极15两侧覆盖有绝缘层14，绝缘层为单一的氮化硅层，或底层为氮化硅，其上覆盖氧化铪、氧化铝、氧化钛中的一种或多种，以免破坏氢终端金刚石11上的氢终端。
请参阅图2至图6所示，本发明一种金刚石功率晶体管的制作方法，包括以下步骤：
通过化学气相沉积技术获得氢终端金刚石11(在金刚石衬底上外延生长一层带有氢终端的金刚石薄膜，形成氢终端金刚石11)，如图3所示；
在氢终端金刚石11上沉积源电极12和漏电极13，如图4所示；
在氢终端金刚石11上沉积绝缘物质作为栅电极处场板结构的介质层14，如图5所示；介质层14部分位于源电极12和漏电极13之间，部分包覆源电极12和漏电极13的边沿。
在介质层14上沉积环形的栅电极15，栅电极15一端通过介质层14上预留的孔沉积子在氢终端金刚石11上，另一端露出在介质层14外部；如图6所示；
在栅电极15上沉积栅极保护层金属16，如图2所示；
本发明还包含在制作源、漏电极后的退火处理，所述退火处理的具体工艺为：将沉积源电极12和漏电极13后的器件置于真空、氮气或氩气氛围中，加热到500～1000℃，持续30秒～30分钟。
本发明可以根据实际需要改变电极大小和电极间距；本发明的氢终端金刚石11不限于单晶金刚石，还适合于多晶金刚石，适用于各种技术合成的金刚石。
Claims (6)
1.一种金刚石功率晶体管，其特征在于，包括氢终端金刚石(11)、源电极(12)、漏电极(13)、栅介质(14)和栅电极(15)，该金刚石功率晶体管的源电极(12)和漏电极(13)采用环形结构；
所述栅电极(15)带有场板结构；
场板结构中栅介质(14)为单一绝缘层或复合层；其中，所述单一绝缘层由氮化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钛中的一种沉积形成，所述复合层为由氮化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钛中多种形成的多个单一绝缘层复合形成；
所述栅电极(15)为单一金属层或复合层，其中，所述单一金属层由铪、铝、锆、钼、铪中的一种沉积形成，所述复合层为由铪、铝、锆、钼、钌中多种形成的多个单一金属层复合形成；
源电极(12)和漏电极(13)设置在氢终端金刚石(11)上，源电极(12)和漏电极(13)同心设置，源电极(12)为环形，设置于圆形漏电极(13)外围；介质层(14)部分位于源电极(12)和漏电极(13)之间，部分包覆源电极(12)和漏电极(13)的边沿；栅电极(15)设置在介质层(14)上；栅电极(15)一端接触氢终端金刚石(11)，另一端露出在介质层(14)外部；栅电极(15)上设有栅极保护层金属(16)。
2.如权利要求1所述的一种金刚石功率晶体管，其特征在于，所述源电极(12)和漏电极(13)为单一金属层或复合层，其中，所述单一金属层由钯、钛、金、镍和铂中的一种沉积形成，所述复合层为由钯、钛、金、镍和铂中多种形成的多个单一金属层复合形成。
3.如权利要求1所述的一种金刚石功率晶体管，其特征在于，栅电极(15)和栅极保护层金属(16)为环形。
4.权利要求1至3中任一项所述的金刚石功率晶体管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过化学气相沉积技术获得氢终端金刚石(11)；
然后，在氢终端金刚石(11)沉积源电极(12)和漏电极(13)；
然后，沉积绝缘物质作为栅电极处场板结构的介质层(14)；
然后，沉积栅电极(15)；
最后，在栅电极(15)上沉积栅极保护金属层(16)；
该金刚石功率晶体管的电极为环形结构。
5.根据权利要求4所述的一种金刚石功率晶体管的制作方法，其特征在于，沉积源电极(12)和漏电极(13)后进行退火处理，退火处理完成后沉积介质层(14)。
6.根据权利要求5所述的一种金刚石功率晶体管的制作方法，其特征在于，所述退火处理的具体工艺为：将沉积源电极(12)和漏电极(13)后的器件置于真空、氮气或氩气氛围中，加热到500～1000℃，持续30秒～30分钟。
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