CN109904228B - 界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管及其制备方法，包括：金刚石衬底、单晶金刚石外延薄膜、导电沟道、源极、漏极、给电子材料层和栅电极；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；给电子材料层覆盖源极与漏极之间部分导电沟道，或者给电子材料层覆盖全部导电沟道及部分源极和部分漏极；其中，给电子材料层的费米能级高于导电沟道的费米能级；给电子材料层上设置有栅电极。本发明的常关型金刚石基场效应晶体管，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。

Description

界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管及其制备方法

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，特别涉及一种界面电荷补偿常关型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，性能远远优于Si，甚至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，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

材料	Johnson指数	Keyes指数	Baliga指数[Si＝1]
				金刚石	2350	145	43938
SiC	910	35	620
				GaN	1080	10	24
Si	2.3	6.7	1

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。在传统元素掺杂还未解决的时候，这层二维空穴气能够作为场效应晶体管的导电沟道使用，大大地推进了金刚石FET的发展。目前金刚石基场效应晶体管最大源漏电流已经大于1A/mm，此时跨导为520mS/mm；输出功率密度达到3.8W/mm@1GHz；单晶金刚石金属-半导体场效应晶体管最高夹断频率f_T为70GHz，最大频率f_max为120GHz。

目前金刚石场效应晶体管绝大多数为常开型(耗尽型)器件，然而，常关型(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。现有的常关型器件都是通过将部分氢终端转化为氧终端、将表面吸附物部分解吸附、带相反电荷的介质层补偿而实现的，这样做降低了表面沟道载流子浓度与迁移率，牺牲了器件部分的源漏最大电流、外部跨导等性能。

综上，亟需一种新型的常关型金刚石基场效应晶体管。

发明内容

本发明的目的在于提供一种界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管及其制备方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的常关型金刚石基场效应晶体管，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。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管，包括：金刚石衬底、单晶金刚石外延薄膜、导电沟道、源极、漏极、给电子材料层和栅电极；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；给电子材料层覆盖源极与漏极之间部分导电沟道，或者给电子材料层覆盖全部导电沟道及部分源极和部分漏极；其中，给电子材料层的费米能级高于导电沟道的费米能级；给电子材料层上设置有栅电极。

本发明的进一步改进在于，所述给电子材料层的厚度为2nm～500nm。

本发明的进一步改进在于，所述给电子材料层的材质为LiF、MgO或LaB₆。

本发明的进一步改进在于，所述单晶金刚石外延薄膜是CVD生长金刚石材料，电阻率大于等于100MΩ·cm，均方根表面粗糙度小于等于0.5nm，拉曼曲线半峰宽小于等于3cm^-1，XRD摇摆曲线半峰宽小于等于50arcsec，薄膜厚度为0.1μm～10μm。

本发明的进一步改进在于，所述导电沟道为单晶金刚石外延薄膜经过氢化处理后形成的一层二维空穴气，其载流子浓度为5×10¹²～5×10¹⁴cm^-2，迁移率为20～200cm²/V·s。

本发明的进一步改进在于，源极和漏极的材质为Au、Pd、Ir、Pt或Ti；栅电极的材质为Al、Zr或Mo。

本发明的一种界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：

S1，对金刚石衬底进行清洗，并吹干；

S2，在金刚石衬底上同质外延单晶金刚石薄膜，获得单晶金刚石外延薄膜；

S3，对单晶金刚石外延薄膜进行氢化处理，获得表面导电沟道；

S4，对氢化处理后的单晶金刚石外延薄膜清洗，然后利用光刻技术在其表面制作源漏极图形，沉积金属，并利用剥离技术获得源极、漏极欧姆接触；

S5，利用光刻技术在单晶金刚石外延薄膜上形成台面图形，然后沉积给电子材料，剥离后形成给电子材料层，并进行器件电学隔离，其中，给电子材料层覆盖全部导电沟道及部分源极与漏极；或者利用光刻技术在单晶金刚石外延薄膜上形成台面图形，并进行器件电学隔离，然后利用光刻技术在导电沟道上形成栅电极图形，沉积给电子材料，剥离后形成给电子材料层，其中，给电子材料层覆盖源极与漏极之间部分导电沟道；

S6，利用光刻技术在给电子材料层上形成栅电极图形，沉积栅金属，并利用剥离技术获得栅电极，得到界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管。

本发明的进一步改进在于，步骤S3中，氢化处理具体包括：将步骤S2中制得的单晶金刚石外延薄膜置于氢等离子体气氛中，处理温度为700～1000℃，处理时间为10秒至2小时，得到空穴面密度为5×10¹²～5×10¹⁴cm^-2，迁移率为20～200cm²/V·s。

本发明的进一步改进在于，步骤S5中，进行器件电学隔离具体包括：用紫外/臭氧或者氧等离子体处理单晶金刚石外延薄膜裸露表面；其中，臭氧的气体流量为1～100sccm，氧等离子体功率为100～300W，处理时间为1～60分钟。

本发明的进一步改进在于，步骤S5中，给电子材料层的费米能级高于单晶金刚石外延薄膜上导电沟道的费米能级，电子能够从给电子材料层流向导电沟道，给电子材料层厚度为2nm～500nm；给电子材料层的材质为LiF、MgO或者LaB₆。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管，在氢终端金刚石表面沉积有一层电子发射材料，由于给电子材料层费米能级高于单晶金刚石外延薄膜上的导电沟道，使得电子流向金刚石表面，补偿部分或者全部氢终端金刚石表面产生的二维空穴气，结合栅极金属与氢终端表面形成的肖特基势垒共同作用，将栅极下方导电沟道内载流子完全耗尽，实现常关型器件特性；本发明不会损伤导电沟道的性能，同时可保证器件源漏之间的电流通过能力。

就本发明的两种结构而言，给电子材料若部分覆盖导电沟道利于给电子材料与栅极同时制备；给电子材料若全部覆盖导电沟道及部分源极和漏极，能够作为掩膜对器件进行电学隔离。

本发明的制备方法能够制备一种界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管，制备的晶体管能够在不损伤氢终端产生的二维空穴气载流子浓度和迁移率的前提下，实现常关型金刚石场效应晶体管，且能够在一定程度上保证源漏间的电流输运能力。

附图说明

图1是本发明实施例的一种界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管的结构示意图；

图2是本发明实施例的一种界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管的俯视结构对应示意图；

图3是本发明实施例的又一种界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管的结构示意图；

图4是本发明实施例的又一种界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管的俯视结构对应示意图；

图5是本发明实施例的一种界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管的制备方法的流程示意图；

图1至图5中，金刚石衬底1；单晶金刚石外延薄膜2；导电沟道3；源极4；漏极5；给电子材料层6；栅电极7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1和图2，本发明实施例的一种界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管，包括：金刚石衬底1、单晶金刚石外延薄膜2、导电沟道3、源极4、漏极5、给电子材料层6和栅电极7。

金刚石衬底1的顶部外壁上设置有一层单晶金刚石外延薄膜2；单晶金刚石外延薄膜2上设置有源极4和漏极5；源极4和漏极5之间的单晶金刚石外延薄膜2上形成有导电沟道3；给电子材料层6覆盖源极4与漏极5之间部分导电沟道3；给电子材料层6上设置有栅电极7；其中，给电子材料层6用于向氢终端金刚石表面提供电子，耗尽二维空穴气沟道。就本发明的两种结构而言，给电子材料若部分覆盖导电沟道利于给电子材料与栅极同时制备；给电子材料若全部覆盖导电沟道及部分源极和漏极，能够作为掩膜对器件进行电学隔离。

金刚石衬底1是采用高温高压HPHT技术、大面积拼接技术、气相外延CVD技术制备得到，作为基底，在其上同质外延单晶金刚石薄膜。

单晶金刚石外延薄膜2是本征金刚石材料，采用CVD技术外延制备，其电阻率大于等于100MΩ·cm，均方根表面粗糙度小于等于0.5nm，拉曼曲线半峰宽小于等于3cm^-1，XRD摇摆曲线半峰宽小于等于50arcsec，薄膜厚度为0.1～10μm。

导电沟道3是单晶金刚石外延薄膜2经过氢化处理后形成的一层二维空穴气，其载流子浓度为5×10¹²-5×10¹⁴cm^-2，迁移率为20-200cm²/V·s。

给电子材料层6费米能级高于单晶金刚石外延薄膜2上导电沟道3的费米能级，其厚度为2nm～500nm；给电子材料层6材质包含LiF、MgO、LaB₆等。

源极4和漏极5的材质为Au、Pd、Ir、Pt或Ti；栅电极7的材质为Al、Zr或Mo。

请参阅图3和图4，本发明实施例的又一种界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管，与上一个实施例的区别在于，给电子材料6覆盖部分导电沟道3，位于栅极7下方，便于给电子材料6和栅极7同时制备。

请参阅图5，本发明的一种界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管的制备方法，按照以下步骤依次进行：

1)、对金刚石衬底1进行清洗，并吹干；

2)、在金刚石衬底1上同质外延单晶金刚石薄膜，获得单晶金刚石外延薄膜2；

3)、对单晶金刚石外延薄膜2进行氢化处理，获得表面导电沟道3；

4)、对氢化处理后的单晶金刚石外延薄膜2清洗，然后利用光刻技术在其表面制作源漏极图形，沉积金属，并利用剥离技术获得源极4、漏极5欧姆接触；

5)、利用光刻技术在单晶金刚石外延薄膜2上形成台面图形，并利用电子束蒸发、溅射或者原子层技术沉积给电子材料，剥离后形成给电子材料层6，并进行器件电学隔离，给电子材料层6覆盖源极4与漏极5之间的导电沟道3，以及部分源极4与漏极5；或者利用光刻技术在单晶金刚石外延薄膜2上形成台面图形，并进行器件电学隔离，然后利用光刻技术在导电沟道3上形成栅电极图形，沉积给电子材料，剥离后形成给电子材料层6，其中，给电子材料层6部分覆盖导电沟道3；

6)、利用光刻技术在给电子材料层6上形成栅电极图形，使用电子束蒸发、溅射等技术沉积栅金属，并利用剥离技术获得栅电极7，得到界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管。

其中，步骤1)的金刚石衬底1采用高温高压HPHT技术、大面积拼接技术、气相外延CVD技术制备得到，作为基底，在其上同质外延单晶金刚石薄膜。

其中，步骤2)中获得的单晶金刚石外延薄膜2是CVD生长金刚石材料，电阻率大于等于100MΩ·cm，均方根表面粗糙度小于等于0.5nm，拉曼曲线半峰宽小于等于3cm^-1，XRD摇摆曲线半峰宽小于等于50arcsec，得到的单晶金刚石薄膜厚度为0.1μm～10μm。

其中，步骤3)中氢化处理是将步骤2)中制得的单晶金刚石外延薄膜2置于氢等离子体气氛中，处理温度为700-1000℃，处理时间为10秒至2小时，得到空穴面密度为5×10¹²～5×10¹⁴cm^-2，迁移率为20-200cm²/V·s。

其中，步骤5)中器件电学隔离是用紫外/臭氧或者氧等离子体处理单晶金刚石外延薄膜2裸露表面，臭氧的气体流量为1-100sccm，氧等离子体功率为100-300W，处理时间为1-60分钟。

其中，步骤6)所述的给电子材料层6费米能级高于单晶金刚石外延薄膜2上导电沟道3的费米能级，电子能够从给电子材料层6流向导电沟道3，其厚度为2-500nm；给电子材料层6材质包含LiF、MgO、LaB₆等。

其中，步骤4)中源极和漏极的材质为Au、Pd、Ir、Pt或Ti；步骤6)中栅电极的材质为Al、Zr或Mo。

本发明的界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管，该场效应晶体管包括金刚石衬底、单晶金刚石外延薄膜、导电沟道、源极、漏极、给电子材料层、栅电极；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；给电子材料层覆盖源极与漏极之间导电沟道，以及部分源极与漏极；或者部分覆盖导电沟道；给电子材料层上设置有栅电极。本发明利用给电子材料层费米能级高于单晶金刚石外延薄膜上导电沟道费米能级的特性，使得电子流向金刚石表面，补偿部分或者全部氢终端金刚石表面产生的二维空穴气，结合栅极金属与氢终端表面形成的肖特基势垒共同作用，将栅极下方导电沟道内载流子完全耗尽，实现常关型器件特性。本发明不会损伤导电沟道的性能，同时可保证器件源漏之间的电流通过能力。

实施例1

本发明实施例的一种界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管制备方法包含如下步骤：

1)使用金刚石衬底标准清洗工艺对高温高压(HPHT)技术生长的金刚石衬底1先后进行无机、有机清洗，氮气吹干备用。

2)使用微波等离子体气相化学沉积(MPCVD)技术在清洗后的金刚石衬底上沉积单晶金刚石薄膜2，等离子功率为1kW，腔室压力为100Torr，总气体流量为500sccm，得到的单晶金刚石薄膜厚度为0.1μm，电阻率大于100MΩ·cm，均方根(RMS)表面粗糙度为0.5nm，拉曼曲线半峰宽约为3cm^-1，XRD摇摆曲线半峰宽小于50arcsec。

3)控制微波等离子体功率使得腔室温度为1000℃，保持氢气流量为50sccm，对生长的单晶金刚石外延薄膜2进行氢化处理，处理时间为10分钟，得到2DHG面密度为5×10¹²cm^-2，迁移率为200cm²/V·s。

4)使用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗样品，并吹干；将样品表面旋涂一层AZ5214光刻胶，将旋涂好光刻胶的单晶金刚石样品在95℃条件下烘烤90秒，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光6.5s，显影45s去掉被曝光的光刻胶，留下源漏极图形。将光刻好的样品置于电子束蒸发设备当中，本底真空抽至5×10^-4Pa后，在样品表面依次沉积Pd、Pt、Au三层金属，各50、100、300nm。取出沉积完成的金刚石样品，浸泡在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，并120℃水浴5分钟，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得源极4、漏极5。

5)使用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗样品，并吹干。将样品表面旋涂一层AZ5214光刻胶，将旋涂好光刻胶的单晶金刚石样品在95℃条件下烘烤90秒，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光6.5s，显影45s去掉源漏极间沟道窗口上被曝光的光刻胶。利用电子束蒸发技术在样品表面沉积约50nm的MgO给电子材料层。使用剥离技术获得给电子材料层6。利用给电子材料层做掩膜，使用臭氧(O₃)以及紫外线对样品裸露表面进行氧化15分钟，以生成氧终端以做器件隔离。

6)使用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗样品，并吹干。将样品表面旋涂一层AZ5214光刻胶，将旋涂好光刻胶的单晶金刚石样品在95℃条件下烘烤90秒，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光6.5s，显影45s去掉被曝光的光刻胶，留下栅极金属图形。将样品置于真空溅射设备中，使用Al金属靶材进行溅射，在给电子材料层6表面沉积150nmAl金属。取出沉积完成的金刚石样品，浸泡在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，并120℃水浴5分钟，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得栅电极7，最终获得制备完成的界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管。

实施例2

本发明实施例的一种界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管制备方法包含如下步骤：

1)使用金刚石衬底标准清洗工艺对气相外延(CVD)技术生长的金刚石衬底1先后进行无机、有机清洗，氮气吹干备用。

2)使用微波等离子体气相化学沉积(MPCVD)技术在清洗后的金刚石衬底上沉积单晶金刚石薄膜2，等离子功率为1kW，腔室压力为100Torr，总气体流量为500sccm，得到的单晶金刚石薄膜厚度为10μm，电阻率大于100MΩ·cm，均方根(RMS)表面粗糙度为0.5nm，拉曼曲线半峰宽约为3cm^-1，XRD摇摆曲线半峰宽小于50arcsec。

3)控制微波等离子体功率使得腔室温度为700℃，保持氢气流量为500sccm，对生长的单晶金刚石外延薄膜2进行氢化处理，处理时间为20分钟，得到二维空穴气导电层，得到2DHG面密度为2×10¹³cm^-2，迁移率为100cm²/V·s。

4)使用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗样品，并吹干；将样品表面旋涂一层AZ5214光刻胶，将旋涂好光刻胶的单晶金刚石样品在95℃条件下烘烤90秒，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光6.5s，显影45s去掉被曝光的光刻胶，留下源漏极图形。将光刻好的样品置于电子束蒸发设备当中，本底真空抽至5×10^-4Pa后，在样品表面依次沉积Ti、Au两层金属，各50、150nm。取出沉积完成的金刚石样品，浸泡在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，并120℃水浴5分钟，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得源极4、漏极5。并对源漏极在氮气气氛下，600℃退火3分钟以形成优良的欧姆接触。

5)使用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗样品，并吹干。将样品表面旋涂一层AZ5214光刻胶，将旋涂好光刻胶的单晶金刚石样品在95℃条件下烘烤90秒，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光6.5s，显影45s去掉被曝光的光刻胶。利用光刻胶做掩膜，使用氧等离子体对样品裸露表面处理5分钟，氧气流量50sccm，等离子体功率100W，以生成氧终端以做器件隔离。

6)使用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗样品，并吹干。将样品表面旋涂一层AZ5214光刻胶，将旋涂好光刻胶的单晶金刚石样品在95℃条件下烘烤90秒，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光6.5s，显影45s去掉被曝光的光刻胶，留下栅极金属图形。将样品置于真空溅射设备中，利用溅射技术在样品表面沉积约30nm的LaB₆给电子材料层，接着使用Zr金属靶材进行溅射，在给电子材料层6表面沉积200nmZr金属。取出沉积完成的金刚石样品，浸泡在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，并120℃水浴5分钟，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得栅电极7，最终获得制备完成的界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管，如图3所示。

实施例3

本发明实施例的一种界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管制备方法包含如下步骤：

1)使用金刚石衬底标准清洗工艺对高温高压(HPHT)技术生长的金刚石衬底1先后进行无机、有机清洗，氮气吹干备用。

2)使用微波等离子体气相化学沉积(MPCVD)技术在清洗后的金刚石衬底上沉积单晶金刚石薄膜2，等离子功率为1kW，腔室压力为100Torr，总气体流量为500sccm，得到的单晶金刚石薄膜厚度为1μm，电阻率大于100MΩ·cm，均方根(RMS)表面粗糙度为0.5nm，拉曼曲线半峰宽约为3cm^-1，XRD摇摆曲线半峰宽小于50arcsec。

3)控制微波等离子体功率使得腔室温度为800℃，保持氢气流量为200sccm，对生长的单晶金刚石外延薄膜2进行氢化处理，处理时间为30分钟，得到2DHG面密度为2×10¹³cm^-2，迁移率为160cm²/V·s。

4)使用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗样品，并吹干。将样品表面旋涂一层KXN5735-LO光刻胶，将旋涂好光刻胶的单晶金刚石样品在95℃条件下烘烤90秒，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光2s，之后在120℃条件下烘烤90秒，显影25s去掉被曝光的光刻胶，留下源漏极图形。将光刻好的样品置于电子束蒸发设备当中，本底真空抽至5×10^-4Pa后，在样品表面沉积300nm Au金属。取出沉积完成的金刚石样品，浸泡在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，并120℃水浴5分钟，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得源极4、漏极5。

5)使用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗样品，并吹干。将样品表面旋涂一层KXN5735-LO光刻胶，将旋涂好光刻胶的单晶金刚石样品在95℃条件下烘烤90秒，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光2s，之后在120℃条件下烘烤90秒，显影25s去掉源漏极间沟道窗口上被曝光的光刻胶。利用原子层沉积技术在样品表面沉积约20nm的LiF给电子材料层。使用剥离技术获得给电子材料层6。利用给电子材料层做掩膜，使用臭氧(O₃)以及紫外线对样品裸露表面进行氧化15分钟，以生成氧终端以做器件隔离。

6)使用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗样品，并吹干。使用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗样品，并吹干。将样品表面旋涂一层KXN5735-LO光刻胶，将旋涂好光刻胶的单晶金刚石样品在95℃条件下烘烤90秒，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光2s，之后在120℃条件下烘烤90秒，显影25s去掉被曝光的光刻胶，留下栅极金属图形。将样品置于电子束蒸发设备中，在给电子材料层6表面沉积150nmMo金属。取出沉积完成的金刚石样品，浸泡在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，并120℃水浴5分钟，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得栅电极7，最终获得制备完成的界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管。

本发明提供了一种界面电荷补偿常关型表面沟道金刚石场效应晶体管的制备方法，制备的晶体管利用给电子材料层费米能级高于单晶金刚石外延薄膜上导电沟道费米能级的特性，使得电子流向金刚石表面，补偿部分或者全部氢终端金刚石表面产生的二维空穴气，结合栅极金属与氢终端表面形成的肖特基势垒共同作用，将栅极下方导电沟道内载流子完全耗尽，实现常关型器件特性；且不会损伤导电沟道的性能，同时多通道结构也能够保证器件源漏之间的电流通过能力。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管，其特征在于，包括：金刚石衬底(1)、单晶金刚石外延薄膜(2)、导电沟道(3)、源极(4)、漏极(5)、给电子材料层(6)和栅电极(7)；

金刚石衬底(1)上设有一层单晶金刚石外延薄膜(2)；单晶金刚石外延薄膜(2)上设置有源极(4)和漏极(5)；源极(4)和漏极(5)之间的单晶金刚石外延薄膜(2)上形成有导电沟道(3)；

给电子材料层(6)覆盖源极(4)与漏极(5)之间部分导电沟道(3)，或者给电子材料层(6)覆盖全部导电沟道(3)及部分源极(4)和部分漏极(5)；

其中，给电子材料层(6)的费米能级高于导电沟道(3)的费米能级；给电子材料层(6)上设置有栅电极(7)；

电子流向金刚石表面，补偿部分或者全部氢终端金刚石表面产生的二维空穴气，结合栅电极与氢终端表面形成的肖特基势垒共同作用，将栅电极下方导电沟道内载流子完全耗尽，实现常关型器件特性。

2.根据权利要求1所述的一种界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管，其特征在于，所述给电子材料层(6)的厚度为2nm～500nm。

3.根据权利要求1所述的一种界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管，其特征在于，所述给电子材料层(6)的材质为LiF、MgO或LaB₆。

4.根据权利要求1所述的一种界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管，其特征在于，所述单晶金刚石外延薄膜(2)是CVD生长金刚石材料，电阻率大于等于100MΩ·cm，均方根表面粗糙度小于等于0.5nm，拉曼曲线半峰宽小于等于3cm^-1，XRD摇摆曲线半峰宽小于等于50arcsec，薄膜厚度为0.1μm～10μm。

5.根据权利要求1所述的一种界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管，其特征在于，所述导电沟道(3)为单晶金刚石外延薄膜(2)经过氢化处理后形成的一层二维空穴气，空穴面密度为5×10¹²～5×10¹⁴cm^-2，迁移率为20～200cm²/V·s。

6.根据权利要求1所述的一种界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管，其特征在于，

源极(4)和漏极(5)的材质为Au、Pd、Ir、Pt或Ti；

栅电极(7)的材质为Al、Zr或Mo。

7.一种界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，对金刚石衬底(1)进行清洗，并吹干；

S2，在金刚石衬底(1)上同质外延单晶金刚石薄膜，获得单晶金刚石外延薄膜(2)；

S3，对单晶金刚石外延薄膜(2)进行氢化处理，获得表面导电沟道(3)；

S4，对氢化处理后的单晶金刚石外延薄膜(2)清洗，然后利用光刻技术在其表面制作源漏极图形，沉积金属，并利用剥离技术获得源极(4)、漏极(5)欧姆接触；

S5，利用光刻技术在单晶金刚石外延薄膜(2)上形成台面图形，然后沉积给电子材料，剥离后形成给电子材料层(6)，并进行器件电学隔离，给电子材料层(6)覆盖全部导电沟道(3)及部分源极(4)与漏极(5)；或者利用光刻技术在单晶金刚石外延薄膜(2)上形成台面图形，并进行器件电学隔离，然后利用光刻技术在导电沟道(3)上形成栅电极图形，沉积给电子材料，剥离后形成给电子材料层(6)，给电子材料层(6)覆盖源极(4)与漏极(5)之间部分导电沟道(3)；其中，给电子材料层(6)的费米能级高于单晶金刚石外延薄膜(2)上导电沟道(3)的费米能级，电子能够从给电子材料层(6)流向导电沟道(3)；

S6，利用光刻技术在给电子材料层(6)上形成栅电极图形，沉积栅金属，并利用剥离技术获得栅电极(7)，得到界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管；

其中，电子流向金刚石表面，补偿部分或者全部氢终端金刚石表面产生的二维空穴气，结合栅电极与氢终端表面形成的肖特基势垒共同作用，将栅电极下方导电沟道内载流子完全耗尽，实现常关型器件特性。

8.根据权利要求7所述的一种界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S3中，氢化处理具体包括：将步骤S2中制得的单晶金刚石外延薄膜(2)置于氢等离子体气氛中，处理温度为700～1000℃，处理时间为10秒至2小时，得到空穴面密度为5×10¹²～5×10¹⁴cm^-2，迁移率为20～200cm²/V·s。

9.根据权利要求7所述的一种界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S5中，进行器件电学隔离具体包括：用紫外/臭氧或者氧等离子体处理单晶金刚石外延薄膜(2)裸露表面；其中，臭氧的气体流量为1～100sccm，氧等离子体功率为100～300W，处理时间为1～60分钟。

10.根据权利要求7所述的一种界面电荷补偿常关型金刚石基场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S5中，给电子材料层(6)厚度为2nm～500nm；给电子材料层(6)的材质为LiF、MgO或者LaB₆。

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