CN107658337A - 高电子迁移率自旋场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高电子迁移率自旋场效应晶体管及其制备方法，所述制备方法包括：选取4H‑SiC衬底；在所述4H‑SiC衬底上生长N型Ga2O3外延层；在所述N型Ga2O3外延层中制作源区和漏区；在所述源区与所述漏区的表面制作电极以完成源极与漏极的制备；在所述N型Ga2O3外延层上制作栅极以完成所述晶体管的制备。本发明提供的高电子迁移率自旋场效应晶体管，采用N型Ga2O3材料作为源极、漏极以及沟道材料，极大地提高了自旋注入和接收的效率，从而提高了器件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件设计及制造领域，特别涉及一种高电子迁移率自旋场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
随着现代电子技术的迅速更新，传统电子器件的发展，无论是规模集成还是运算速度方面，均严重限制了微电子科学的发展。新兴的自旋电子学以便捷地调控电子自旋为主要目标，开启了以利用电子自旋来实现信息贮存和传输的新领域，引起物理学，材料学以及电子信息学等多科学领域中研究者的共同关注和广泛兴趣。
近年来，基于二维电子气提出的自旋场效应管，其理论与实验研究涉及了电子自旋输运及材料特性等多方面影响的复杂因素，引起了广大研究者的关注与探索。其基本构想为通过电光调制器的电子类比提出所谓的自旋场晶体管。由源极输入的电子自旋沿x方向，它可以表示为沿z方向正和负自旋分量的组合，通过电子有效质量哈密顿中的Rashba项引起的自旋向上和自旋向下的电子能量分裂，在输运过程中产生电子通过场效应管的相位差，在漏极接收到的沿x方向自旋的可以看成沿正负z方向自旋的电子相位产生变化，从而进行电流调控。而Rashba项中的Rashba系数Rashba系数η与异质结界面的电场成正比，因此可以通过加栅压来控制电流大小。
但是一般的自旋场效应晶体管由铁磁材料将自旋电子注入到半导体中，但由于铁磁材料如Fe与半导体材料如Sm的能带结构不匹配使得自旋注入的效率很低，从而严重地影响了器件的性能。
发明内容
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种高电子迁移率自旋场效应晶体管及其制备方法。
本发明的实施例提供了一种高电子迁移率自旋场效应晶体管的制备方法，包括：
(a)选取4H-SiC衬底；
(b)在所述4H-SiC衬底上生长N型Ga2O3外延层；
(c)在所述N型Ga2O3外延层中制作源区和漏区；
(d)在所述源区与所述漏区的表面制作电极；
(e)在所述N型Ga2O3外延层上制作栅极以完成所述晶体管的制备。
在本发明的一个实施例中，在步骤(b)之前还包括：
使用丙酮和酒精对所述4H-SiC衬底进行超声清洗。
在本发明的一个实施例中，步骤(b)包括：
以质量分数为99.99999％的Ga作为蒸发源、质量分数为99.999％的Sn作为掺杂源，利用MBE工艺，在所述4H-SiC衬底上生长N型 Ga2O3外延层。
在本发明的一个实施例中，所述MBE工艺中，射频源功率为 300W，压强为1.5×10- 5Torr。
在本发明的一个实施例中，步骤(c)包括：
(c1)利用CVD工艺，在所述Ga2O3外延层上生长Al阻挡层；
(c2)利用光刻工艺，选择性刻蚀光刻胶，在所述Al阻挡层表面分别形成第一待刻蚀区域与第二待刻蚀区域；
(c3)利用等离子体刻蚀工艺，刻蚀所述第一待刻蚀区域与所述第二待刻蚀区域，在所述Ga2O3外延层表面形成第一锰离子待注入区域与第二锰离子待注入区域；
(c4)利用离子注入工艺，对所述第一锰离子待注入区域与所述第二锰离子待注入区域进行锰离子注入，在所述Ga2O3外延层中分别形成源区与漏区。
在本发明的一个实施例中，在步骤(d)之前还包括：
(x1)利用丙酮、甲醇及异丙酮对所述N型Ga2O3外延层、所述源区及所述漏区的表面进行清洗处理；
(x2)利用RCA清洗标准对包括所述N型Ga2O3外延层、所述源区及所述漏区的整个材料表面进行清洗处理；
(x3)利用退火工艺，在750℃温度下、氩气氛围中，对所述源区与所述漏区进行离子激活处理。
在本发明的一个实施例中，步骤(d)包括：
(d1)利用光刻工艺，选择性刻蚀光刻胶，在所述源区表面形成源极金属层待生长区域、在所述漏区的表面形成漏极金属层待生长区域；
(d2)利用电子束蒸发工艺，在所述源极金属层待生长区域及所述漏极金属层待生长区域生长Ti-Au合金层分别作为源极电极与漏极电极；
(d3)在470℃温度下、氩气气氛中，对所述源极电极与所述漏极电极进行快速热退火处理，形成欧姆接触，以完成源极与漏极的制备。
在本发明的一个实施例中，步骤(e)包括：
(e1)利用CVD工艺，在所述N型Ga2O3外延层上生长SiO2隔离层；
(e2)利用光刻工艺，选择性刻蚀光刻胶，在所述SiO2隔离层表面形成待刻蚀区域；
(e3)利用等离子体刻蚀工艺，刻蚀所述待刻蚀区域的SiO2隔离层，形成栅极待生长区域；
(e4)去除光刻胶，在所述栅极待生长区域生长Au金属层作为栅极，以完成栅极的制备。
在本发明的一个实施例中，步骤(e4)包括：
(e41)利用磁控溅射工艺，在所述栅极待生长区域生长肖特基接触Au金属层，作为栅极；
(e42)在氩气气氛中对所述栅极进行退火处理。
本发明的另一个实施例提供了一种高电子迁移率自旋场效应晶体管，包括4H-SiC衬底、N型Ga2O3外延层、源极、漏极、栅极及 SiO2隔离层，由上述实施例中的任一项所述的方法制备形成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中采用的N型Ga2O3材料作为源极、漏极以及沟道材料，极大地提高了自旋注入和接收的效率，从而提高了器件的性能。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种高电子迁移率自旋场效应晶体管的制备方法流程图；
图2a-图2g为本发明实施例的一种高电子迁移率自旋场效应晶体管的制备方法示意图；
图3为本发明实施例提供的一种高电子迁移率自旋场效应晶体管的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种高电子迁移率自旋场效应晶体管的制备方法流程图，其中，所述制备方法包括：
(a)选取4H-SiC衬底；
(b)在所述4H-SiC衬底上生长N型Ga2O3外延层；
(c)在所述N型Ga2O3外延层中制作源区和漏区；
(d)在所述源区与所述漏区的表面制作电极；
(e)在所述N型Ga2O3外延层上制作栅极以完成所述晶体管的制备。
优选地，在步骤(b)之前，还包括：
使用丙酮和酒精对所述4H-SiC衬底进行超声清洗。
优选地，步骤(b)可以为：
以质量分数为99.99999％的Ga作为蒸发源、质量分数为99.999％的Sn作为掺杂源，利用MBE工艺，在所述4H-SiC衬底上生长N型 Ga2O3外延层。
其中，在步骤(b)中，所述N型Ga2O3外延层的厚度为0.4-0.6μm。优选地，N型Ga2O3外延层的厚度选取为0.4μm可以达到最佳效果。
优选地，所述MBE工艺中，射频源功率为300W，压强为 1.5×10-5Torr。
优选地，步骤(c)可以包括：
(c1)利用CVD工艺，在所述Ga2O3外延层上生长Al阻挡层；
(c2)利用光刻工艺，选择性刻蚀光刻胶，在所述Al阻挡层表面分别形成第一待刻蚀区域与第二待刻蚀区域；
(c3)利用等离子体刻蚀工艺，刻蚀第一待刻蚀区域与第二待刻蚀区域，在Ga2O3外延层表面形成第一锰离子待注入区域与第二锰离子待注入区域；
(c4)利用离子注入工艺，对第一锰离子待注入区域与第二锰离子待注入区域进行锰离子注入，在Ga2O3外延层中分别形成源区与漏区。
其中，在步骤(c)中，Al阻挡层的厚度为1μm；源区与漏区的深度为0.5μm、掺杂浓度为1×1014～5×1015cm-2。
优选地，在步骤(d)之前还可以包括：
(x1)利用丙酮、甲醇及异丙酮对所述N型Ga2O3外延层、所述源区及所述漏区的表面进行清洗处理；
(x2)利用RCA清洗标准对包括所述N型Ga2O3外延层、所述源区及所述漏区的整个材料表面进行清洗处理；
(x3)利用退火工艺，在750℃温度下、氩气氛围中，对所述源区与所述漏区进行离子激活处理。
优选地，步骤(d)可以包括：
(d1)利用光刻工艺，选择性刻蚀光刻胶，在所述源区表面形成源极金属层待生长区域、在所述漏区的表面形成漏极金属层待生长区域；
(d2)利用电子束蒸发工艺，在所述源极金属层待生长区域及所述漏极金属层待生长区域生长Ti-Au合金层分别作为源极电极与漏极电极；
(d3)在470℃温度下、氩气气氛中，对所述源极电极与所述漏极电极进行快速热退火处理，形成欧姆接触，以完成源极与漏极的制备。
其中，在步骤(d2)中，Ti-Au合金层的厚度为300nm；在步骤(d3) 中，退火时间为1分钟。
优选地，在步骤(e)之前还可以包括：
(e1)利用CVD工艺，在所述N型Ga2O3外延层上生长SiO2隔离层；
(e2)利用光刻工艺，选择性刻蚀光刻胶，在所述SiO2隔离层表面形成待刻蚀区域；
(e3)利用等离子体刻蚀工艺，刻蚀所述待刻蚀区域的SiO2隔离层，形成栅极待生长区域；
(e4)去除光刻胶，在所述栅极待生长区域生长Au金属层作为栅极，以完成栅极的制备。
其中，在步骤(e1)中，SiO2隔离层的厚度为300nm；在步骤(e3) 中，栅极待生长区域的宽度为1μm；在步骤(e4)中，Au金属层的厚度为300-500nm，优选地，Au金属层的厚度选取为400nm效果最佳。
优选地，步骤(e4)可以包括：
(e41)利用磁控溅射工艺，在所述栅极待生长区域生长肖特基接触Au金属层，作为栅极；
(e42)在氩气气氛中对所述栅极进行退火处理。
本实施例，采用N型Ga2O3材料作为源极、漏极以及沟道材料，极大地提高了自旋注入和接收的效率，从而提高了器件的性能。
实施例2：
请参照图2a-图2g，图2a-图2g为本发明实施例的一种高电子迁移率自旋场效应晶体管的制备方法示意图，该制备方法包括如下步骤：
第1步、选取衬底201。选取4H-SiC衬底201，如图2a所示。
第2步、在4H-SiC衬底201表面生长Ga2O3外延层202。以质量分数为99.99999％的Ga作为蒸发源、质量分数为99.999％的Sn 作为掺杂源，利用MBE工艺，在4H-SiC衬底上生长厚度为0.4μm、掺杂浓度为1×1014-1×1016cm-3的N型Ga2O3外延层202，如图2b所示。
第3步、在N型Ga2O3外延层202上生长Al阻挡层203。利用CVD 工艺，在Ga2O3外延层上生长厚度为1μm的Al阻挡层203如图2c所示；
第4步、制作源区204与漏区205。利用光刻工艺，选择性刻蚀光刻胶，在Al阻挡层203表面分别形成第一待刻蚀区域与第二待刻蚀区域；利用等离子体刻蚀工艺，刻蚀第一待刻蚀区域与第二待刻蚀区域，在Ga2O3外延层表面形成第一锰离子待注入区域与第二锰离子待注入区域；利用离子注入工艺，对第一锰离子待注入区域与第二锰离子待注入区域进行锰离子注入，在Ga2O3外延层中分别形成深度为 0.5μm、掺杂浓度为1×1014-5×1015cm-2的源区204与漏区205，利用丙酮、甲醇及异丙酮对所述N型Ga2O3外延层、所述源区及所述漏区的表面进行清洗处理；利用RCA清洗标准对包括N型Ga2O3外延层、源区及漏区的整个材料表面进行清洗处理；在750℃温度下、氩气氛围中，利用退火工艺，对源区与漏区进行离子激活处理，如图2d所示。
第5步、在源区204与漏区205表面分别制作电极以完成源极 206与漏极207的制备。利用光刻工艺，选择性刻蚀光刻胶，在源区表面形成源极金属层待生长区域、在漏区的表面形成漏极金属层待生长区域；利用电子束蒸发工艺，在源极金属层待生长区域及漏极金属层待生长区域生长厚度为300nm的Ti-Au合金层分别作为源极电极与漏极电极；在470℃温度下、氩气气氛中，对源极电极与漏极电极进行快速热退火处理，形成欧姆接触，以完成源极206与漏极207的制备，如图2e所示。
第6步、在Ga2O3外延层表面生长制作SiO2隔离层208及栅极待生长区域209。利用CVD工艺，在N型Ga2O3外延层上生长厚度为300nm的SiO2隔离层；利用光刻工艺，选择性刻蚀光刻胶，在SiO2隔离层表面形成待刻蚀区域；利用等离子体刻蚀工艺，刻蚀待刻蚀区域的SiO2隔离层，形成栅极待生长区域209，如图2f所示；
第7步、在栅极待生长区域209生长Au金属层以完成栅极210的制备。利用磁控溅射工艺，在栅极待生长区域生长厚度为400nm的肖特基接触Au金属层，作为栅极210；在氩气气氛中对所述栅极210 进行退火处理，如图2g所示。
实施例三
请参照图3，图3为本发明实施例提供的一种基于SOI的横向双沟功率固态等离子PiN二极管的结构示意图。该发光管采用上述如图 2a-图2g所示的制备方法制成。具体地，所述二极管包括：4H-SiC衬底301、N型Ga2O3外延层302、源极303、漏极304、栅极305及 SiO2隔离层306。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高电子迁移率自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
(a)选取4H-SiC衬底；
(b)在所述4H-SiC衬底上生长N型Ga2O3外延层；
(c)在所述N型Ga2O3外延层中制作源区和漏区；
(d)在所述源区与所述漏区的表面制作电极；
(e)在所述N型Ga2O3外延层上制作栅极以完成所述晶体管的制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(b)之前，还包括：使用丙酮和酒精对所述4H-SiC衬底进行超声清洗。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(b)包括：
以Ga作为蒸发源、Sn作为掺杂源，利用MBE工艺，在所述4H-SiC衬底上生长N型Ga2O3外延层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述MBE工艺中，射频源功率为300W，压强为1.5×10-5Torr。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(c)包括:
(c1)利用CVD工艺，在所述Ga2O3外延层上生长Al阻挡层；
(c2)利用光刻工艺，选择性刻蚀光刻胶，在所述Al阻挡层表面分别形成第一待刻蚀区域与第二待刻蚀区域；
(c3)利用等离子体刻蚀工艺，刻蚀所述第一待刻蚀区域与所述第二待刻蚀区域，在所述Ga2O3外延层表面形成第一锰离子待注入区域与第二锰离子待注入区域；
(c4)利用离子注入工艺，对所述第一锰离子待注入区域与所述第二锰离子待注入区域进行锰离子注入，在所述Ga2O3外延层中分别形成源区与漏区。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤(d)之前还包括：
(x1)利用丙酮、甲醇及异丙酮对所述N型Ga2O3外延层、所述源区及所述漏区的表面进行清洗处理；
(x2)利用RCA清洗标准对包括所述N型Ga2O3外延层、所述源区及所述漏区的整个材料表面进行清洗处理；
(x3)在氩气氛围中，对所述源区与所述漏区进行离子激活处理。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(d)包括：
(d1)利用光刻工艺，选择性刻蚀光刻胶，在所述源区表面形成源极金属层待生长区域、在所述漏区的表面形成漏极金属层待生长区域；
(d2)利用电子束蒸发工艺，在所述源极金属层待生长区域及所述漏极金属层待生长区域生长Ti-Au合金层分别作为源极电极与漏极电极；
(d3)在氩气气氛中，对所述源极电极与所述漏极电极进行快速热退火处理，形成欧姆接触，以完成源极与漏极的制备。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于,步骤(e)包括：
(e1)利用CVD工艺，在所述N型Ga2O3外延层上生长SiO2隔离层；
(e2)利用光刻工艺，选择性刻蚀光刻胶，在所述SiO2隔离层表面形成待刻蚀区域；
(e3)利用等离子体刻蚀工艺，刻蚀所述待刻蚀区域的SiO2隔离层，形成栅极待生长区域；
(e4)去除光刻胶，在所述栅极待生长区域生长Au金属层作为栅极。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于,步骤(e4)包括：
(e41)利用磁控溅射工艺，在所述栅极待生长区域生长肖特基接触Au金属层，作为栅极；
(e42)在氩气气氛中对所述栅极进行退火处理。
10.一种高电子迁移率自旋场效应晶体管，其特征在于，包括：4H-SiC衬底、N型Ga2O3外延层、源极、漏极、栅极及SiO2隔离层；其中，所诉晶体管由权利要求1～9任一项所述的方法制备形成。
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