CN115995483A - 载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管及其制备方法，所述金刚石场效应晶体管包括：金刚石衬底上设置有单晶金刚石外延薄膜；单晶金刚石外延薄膜设置有第一重掺杂金刚石薄膜区域和第二重掺杂金刚石薄膜区域；在第一重掺杂金刚石薄膜区域、第二重掺杂金刚石薄膜区域以及二者之间的单晶金刚石外延薄膜表面设置有氢终端区域，在其余外延薄膜表面设置有氧终端区域；源电极和漏电极均设置于沟道区域上；源电极、漏电极以及二者之间的沟道区域上设置有栅介质层，栅电极设置在栅介质层和氧终端区域上。本发明在单晶金刚石薄膜中形成重掺杂金刚石薄膜，可提高空穴的迁移率。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
金刚石在超宽禁带宽度(5.45eV)、载流子迁移率(电子：4500cm2/Vs，空穴：3800cm2/Vs)、热导率(22W/cmK)、抗击穿场强(>10MV/cm)、介电常数、饱和载流子漂移速度(电子：2.7×107cm/s，空穴：1.1×107cm/s)、抗辐射、耐腐蚀等几个方面的性能全面超越其他半导体，也拥有最高的Johnson、Keyes及Baliga等品质因子，最大地覆盖了输出功率和工作频率的应用领域。由于金刚石具有十分优异的性能，必将在高温、高效、高频、大功率等半导体功率器件领域发挥重要作用，从而成为新一代半导体芯片材料，使超大规模和超高速集成电路的发展进入一个崭新的时代。
现有技术中，尽管氢终端金刚石的载流子迁移率已达680cm2·V-1·s-1，但仍然低于硅器件(电子迁移率约为1350cm2·V-1·s-1，空穴迁移率约为480cm2·V-1·s-1)和GaNHEMT(电子迁移率约为2000cm2·V-1·s-1)中的载流子迁移率，远远未达到金刚石材料的理论值(理论预测在解决界面电离杂质散射、粗糙度散射后，其迁移率可大于3000cm2·V-1·s-1)。
基于上述分析可知，目前亟需一种新的载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种载流子迁移率增强的金刚石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。本发明提供的技术方案中，在单晶金刚石薄膜中形成重掺杂金刚石薄膜，向沟道区域及其下方单晶金刚石薄膜提供压应力，可提高空穴的迁移率，能够有效提升器件的电流密度等电学特性。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管，包括：金刚石衬底、单晶金刚石外延薄膜、栅介质层、源电极、漏电极以及栅电极；
所述金刚石衬底上设置有所述单晶金刚石外延薄膜；
所述单晶金刚石外延薄膜设置有第一重掺杂金刚石薄膜区域和第二重掺杂金刚石薄膜区域；在第一重掺杂金刚石薄膜区域、第二重掺杂金刚石薄膜区域以及二者之间的单晶金刚石外延薄膜表面设置有氢终端区域，在其余单晶金刚石外延薄膜表面设置有氧终端区域；其中，所述氢终端区域为由二维空穴气导电层构成的沟道区域；
所述源电极和所述漏电极均设置于所述沟道区域上；
所述源电极、所述漏电极以及二者之间的沟道区域上设置有所述栅介质层；
所述栅电极设置在所述栅介质层和所述氧终端区域上。
本发明的进一步改进在于，所述第一重掺杂金刚石薄膜和所述第二重掺杂金刚石薄膜的掺杂浓度为1019cm-2～1021cm-2，电阻率小于100mΩ·cm，宽度为10μm～500μm，深度为10nm～5μm，内部产生拉应力。
本发明的进一步改进在于，所述第一重掺杂金刚石薄膜和所述第二重掺杂金刚石薄膜中的掺杂元素包括硼、铝、磷和氮中的一种或多种。
本发明的进一步改进在于，所述沟道区域的沟道长度为20nm～100μm，沟道内载流子浓度为5×1012cm-2～5×1014cm-2，迁移率为20cm2/V·s～2500cm2/V·s。
本发明的进一步改进在于，所述栅介质层的材质为绝缘材料。
本发明提供的一种流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将金刚石衬底进行清洗并吹干，获得清洗后的金刚石衬底；
步骤2，在步骤1获得的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；
步骤3，在步骤2获得的单晶金刚石外延薄膜的预设区域形成重掺杂金刚石薄膜，获得第一重掺杂金刚石薄膜区域和第二重掺杂金刚石薄膜区域；
步骤4，对单晶金刚石外延薄膜表面进行氢化处理，获得氢终端区域；将第一重掺杂金刚石薄膜区域、第二重掺杂金刚石薄膜区域以及二者之间的单晶金刚石外延薄膜表面上的氢终端区域作为沟道区域；
步骤5，利用光刻技术在第一重掺杂金刚石薄膜区域、第二重掺杂金刚石薄膜区域上方的沟道区域上分别形成源电极、漏电极图形，沉积源电极、漏电极金属，并利用剥离技术获得源电极和漏电极欧姆接触；
步骤6，在源电极、漏电极以及二者之间的沟道区域上沉积形成栅介质层；
步骤7，利用步骤6沉积获得的栅介质层做掩膜，进行氧终端处理，形成氧终端区域；
步骤8，利用光刻技术在所述栅介质层和所述氧终端区域上形成栅电极图形，沉积栅电极金属，获得栅电极。
本发明的进一步改进在于，步骤3中，所述在步骤2获得的单晶金刚石外延薄膜的预设区域形成重掺杂金刚石薄膜的步骤具体包括：
在步骤2获得的单晶金刚石外延薄膜的预设区域，通过刻蚀及选区外延生长、扩散或离子注入工艺形成重掺杂金刚石薄膜。
本发明的进一步改进在于，通过刻蚀及选区外延生长工艺形成重掺杂金刚石薄膜时，
先对单晶金刚石外延薄膜进行ICP刻蚀，射频功率为200W～1000W，直流功率50W～300W，刻蚀时间为30s～1800s；随后进行选区外延生长，腔体温度为800℃～1200℃，腔体压力为3kPa～18kPa。
本发明的进一步改进在于，通过扩散工艺形成重掺杂金刚石薄膜时，
将掺杂物质的化合物涂覆在单晶金刚石外延薄膜表面，由600℃至1800℃以300℃～400℃的变化范围，阶段性升温退火形成重掺杂。
本发明的进一步改进在于，通过离子注入工艺形成重掺杂金刚石薄膜时，
离子能量为20keV～1500keV，注入离子剂量为1015cm-2～1020cm-2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管，在单晶金刚石薄膜中形成重掺杂区域，通过重掺杂区域对其之间的单晶金刚石薄膜施加压应力，改变晶格的形状，能带的弯曲程度也由此改变，能够导致空穴有效质量的降低，从而提高空穴的载流子迁移率，可有效提升器件的电流密度等电学特性；同时，重掺杂区域能够形成良好的欧姆接触。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管的截面结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管的俯视结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管的制备方法的流程示意图；
图中，1、金刚石衬底；2、单晶金刚石外延薄膜；3、重掺杂金刚石薄膜；4、沟道区域；5、绝缘隔离区域；6、栅介质层；7、源电极；8、漏电极；9、栅电极。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
请参阅图1和图2，本发明实施例提供的一种载流子迁移率增强的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、重掺杂金刚石薄膜3(具体可以是包括第一重掺杂金刚石薄膜区域和第二重掺杂金刚石薄膜区域)、沟道区域4、绝缘隔离区域5、栅介质层6、源电极7、漏电极8以及栅电极9；其中，金刚石衬底1上设有单晶金刚石外延薄膜2和重掺杂金刚石薄膜3(进一步具体解释性的，在单晶金刚石外延薄膜2中形成重掺杂的金刚石薄膜)；单晶金刚石外延薄膜2与重掺杂金刚石薄膜3上设置有沟道区域4和绝缘隔离区域5，沟道区域4为氢终端区域，绝缘隔离区域5为氧终端区域；沟道区域4包括二维空穴气导电层，载流子能够在沟道区域4内迁移；栅介质层6处于沟道区域4、源电极7和漏电极8上，是绝缘材料，载流子在其内不能传输；源电极7和漏电极8处于重掺杂金刚石薄区域上方的沟道区域4上；栅电极9设置在栅介质层6上。
本发明实施例具体示例性的，单晶金刚石外延薄膜2可以是化学气相沉积(CVD)生长金刚石材料，其内产生压应力，应力大小为10MPa～5GPa，电阻率大于100mΩ·cm，均方根表面粗糙度小于0.5nm，拉曼曲线半峰宽小于2cm-1，XRD摇摆曲线半峰宽小于30arcsec。
本发明实施例具体优选的，所述的重掺杂金刚石薄膜3的掺杂浓度为1019～1021cm-2，电阻率小于100mΩ·cm，宽度为10μm～500μm，深度为10nm～5μm，其内部产生拉应力，由刻蚀/选区外延生长、扩散、离子注入等方法形成，掺杂元素包括硼、铝、磷和氮等元素中的一种或多种。
本发明实施例具体示例性的，所述的沟道区域4为氢终端表面，沟道长度为20nm～100μm，沟道内载流子浓度为5×1012～5×1014cm-2，迁移率为20～2500cm2/V·s。
本发明实施例中，所述的栅介质层6的材质为绝缘材料，如SiNx、SiO2、Al2O3、ZrO2、高功函数材料等；进一步解释性的，可由电子束蒸发、溅射、原子层沉积等沉积技术形成。
本发明实施例中，所述的源电极7、漏电极8的材质为Au、Pd、Ir、Pt或Ti，栅电极9的材质为Al、Zr、Hf和Mo等；其中，源漏电极8的材质能够与氢终端形成欧姆接触。
本发明实施例公开的载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管，通过形成重掺杂金刚石薄膜，改变原有单晶金刚石薄膜中应力分布，使得空穴有效质量的降低，提高空穴的迁移率，重掺杂区域能够形成低的导通电阻，从而提高器件性能。
请参阅图3，本发明实施例提供的一种载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管，包括如下步骤：
步骤1，对金刚石衬底1进行清洗，并吹干；
步骤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；
步骤3，在单晶金刚石外延薄膜2的部分区域通过刻蚀/选区外延生长、扩散、离子注入等技术形成重掺杂金刚石薄膜3；
步骤4，对单晶金刚石外延薄膜2与重掺杂金刚石薄膜3进行氢化处理，获得一层二维空穴气导电层，形成了沟道区域4；
步骤5，利用光刻技术在重掺杂金刚石薄膜3上方的沟道区域4上形成源漏电极图形，沉积源漏电极金属，并利用剥离技术获得源电极7和漏电极8欧姆接触；
步骤6，在沟道区域4、部分源电极7和漏电极8上沉积形成栅介质层6；
步骤7，利用栅介质层6做掩膜，对样品进行氧终端处理，形成绝缘隔离区域5；
步骤8，利用光刻技术在栅介质层6上形成栅电极图形，沉积栅电极金属。
本发明实施例公开的上述步骤中的掺杂技术包括离子注入、扩散、微波等离子体化学气相沉积等形式；光刻技术包含紫外光刻、电子束光刻以及步进式非接触光刻等形式；干刻蚀技术包括电感耦合等离子体刻蚀、反应离子刻蚀、离子束刻蚀级聚焦离子束刻蚀等形式；沉积非金属方式包括电子束沉积、溅射、原子层沉积等形式；沉积金属方式包括热蒸发、电子束蒸发、溅射和原子层沉积等形式。
本发明实施例的步骤3中，在单晶金刚石外延薄膜2部分区域形成重掺杂金刚石薄膜3时，其掺杂浓度为1019～1021cm-2，电阻率小于100mΩ·cm，宽度为10～500μm，深度为10nm～5μm，其内部产生拉应力，由刻蚀/选区外延生长、扩散、离子注入等方法形成，掺杂元素包括硼、铝、磷、氮等；其中，刻蚀/选区外延生长是先对单晶金刚石外延薄膜2进行ICP刻蚀，射频功率为200～1000W，直流功率50～300W，刻蚀时间为30～1800s，随后进行选取外延生长工艺，腔体温度为800～1200℃，腔体压力为3～18kPa。扩散法是将掺杂物质的化合物涂覆在样品表面，由600～1800℃，以300～400℃的变化范围，阶段性升温退火形成重掺杂区域；离子注入法中离子能量为20～1500keV，注入离子剂量为1015～1020cm-2。
本发明实施例步骤4中的氢化处理是将金刚石样品置于氢等离子体或者氢气气氛中，处理温度为700～1000℃，处理时间为10s～2h，形成的氢终端沟道区域载流子浓度为5×1012～5×1014cm-2，迁移率为20～2500cm2/V·s。
本发明实施例提供的制备方法中，步骤5中沉积的源漏电极金属为Au、Pd、Ir、Pt或Ti等。步骤6中的栅介质层为绝缘材质，如SiNx、SiO2、Al2O3、ZrO2、高功函数材料等。步骤8中栅电极材质为Al、Zr、Hf和Mo等。
本发明实施例中，步骤7中的氧终端处理电学隔离具体包括：使用紫外线/臭氧、氧等离子体处理单晶金刚石外延薄膜2和重掺杂金刚石薄膜3表面，其中氧气或者臭氧的气体流量为1～100sccm，等离子体功率为100～300W，处理时间为1～60min。
综上所述，本发明实施例提供的载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管包含金刚石衬底、单晶金刚石外延薄膜、重掺杂金刚石薄膜、沟道区域(氢终端)、绝缘隔离区域(氧终端)、源电极、漏电极、栅介质层和栅电极；金刚石衬底上设有单晶金刚石外延薄膜和重掺杂金刚石薄膜；金刚石薄膜上有沟道区域(氢终端)和绝缘隔离区域(氧终端)；重掺杂金刚石薄膜上方的沟道区域上设置有源电极和漏电极，沟道区域和部分源漏电极上方设置有栅介质层；栅介质层上设置有栅电极。本发明实施例公开的技术方案通过在单晶金刚石薄膜中形成重掺杂金刚石薄膜，改变原有单晶金刚石薄膜中的应力分布情况，对重掺杂区域中间的单晶金刚石外延薄膜施加压应力，提高沟道中的载流子迁移率，使得空穴有效质量的降低，提高空穴的迁移率，同时重掺杂区域能够形成良好的欧姆接触，从而提高现有氢终端金刚石器件的电学性能。
实施例1
本发明实施例公开的一种载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管的制备方法，包含如下步骤：
1)使用金刚石衬底1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1上沉积单晶金刚石薄膜，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，均方根表面粗糙度0.45nm，拉曼曲线半峰宽1.9cm-1，XRD摇摆曲线半峰宽29arcsec。
3)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90s，使用设计的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下Pd掩膜区域图形。将光刻好的样品置于磁控溅射腔体中，样品室本底真空抽至5×10-6Torr后，样品传送至主腔体中，通入5sccm的氩气，溅射功率设置为100W，沉积20min。取出沉积Pd金属的样品，浸泡在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，超声剥离掉曝光区域以外的金属，清洗后氮气吹干。将包含Pd金属掩膜图形的样品置于电感耦合等离子体(ICP)刻蚀机样品室中，样品室本底真空抽至5×10- 6Torr后，样品传送至主腔体中，通入30sccm的氧气，5sccm的氩气，ICP射频功率设置为500W，直流功率设置为100W，刻蚀120s。取出刻蚀完成的金刚石样品，将样品分别置于丙酮、酒精、纯水中各超声15min，以去除样品表面的有机物和杂质，用气枪吹干备用。采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)进行掺杂单晶金刚石同质外延生长，掺杂气体为三甲基铝(TMAl)，铝碳比(Al/C)＝500×10-6，生长温度为1000℃，CH4浓度(CH4/H2)为4％，腔体压力为160mbar(1mbar＝100Pa)，掺杂浓度为1019cm-3。沉积后，单晶金刚石外延薄膜2内压应力为0.8GPa。沉积完成后进行研磨、抛光，使得样品表面粗糙度小于0.5nm。
4)对样品先后进行无机、有机清洗，氮气吹干，放入微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)设备腔体中，控制微波等离子体功率使得腔室温度为900℃，保持氢气流量为50sccm，对生长的单晶金刚石外延薄膜2与重掺杂P型金刚石薄膜进行氢化处理，处理时间为5min，得到二维空穴气面密度为2×1013cm-2，迁移率为1500cm2/V·s。
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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下源漏电极图形。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、Au两层金属，各50、500nm。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5min，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得源电极7和漏电极8。
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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下栅介质层图形。将光刻好的样品置于电子束蒸发设备当中，在样品表面沉积ZrO2层；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5min，然后超声剥离掉曝光区域以外的氧化物，获得栅介质层6。
7)使用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗样品，并吹干；利用介质层做掩膜对样品进行氧等离子体处理5min，功率30W，氧气流量80sccm，将沟道区域4两侧转化为绝缘隔离区域5。
8)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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下栅电极图形。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Al、Au金属50、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5min，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得栅电极9，最终获得制备完成的载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管。
实施例2
本发明实施例公开的一种载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管的制备方法，包含如下步骤：
1)使用金刚石衬底1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1上沉积单晶金刚石薄膜，等离子功率为1.2kW，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2μm，电阻率大于100mΩ·cm，均方根表面粗糙度0.4nm，拉曼曲线半峰宽1.9cm-1，XRD摇摆曲线半峰宽25arcsec。
3)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90s，使用设计的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下Pt掩膜区域图形。将光刻好的样品置于磁控溅射腔体中，样品室本底真空抽至5×10-6Torr后，样品传送至主腔体中，通入5sccm的氩气，溅射功率设置为80W，沉积30min。取出沉积Pt金属的样品，浸泡在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，超声剥离掉曝光区域以外的金属，清洗后氮气吹干。将包含Pt金属掩膜图形的样品置于电感耦合等离子体(ICP)刻蚀机样品室中，样品室本底真空抽至5×10- 6Torr后，样品传送至主腔体中，通入30sccm的氧气，5sccm的氩气，ICP射频功率设置为300W，直流功率设置为80W，刻蚀600s。取出刻蚀完成的金刚石样品，将样品分别置于丙酮、酒精、纯水中各超声15min，以去除样品表面的有机物和杂质，用气枪吹干备用。采用化学气相沉积(CVD)进行掺杂单晶金刚石同质外延生长，掺杂气体为甲烷-硼酸三乙酯-氢气混合物，生长温度为1100℃，腔体压力为10kPa，流入反应器的甲烷流量为25sccm；硼酸三乙酯和氢气的混合物的流量为10sccm。沉积后，单晶金刚石外延薄膜2内压应力为0.9GPa。沉积完成后进行研磨、抛光，使得样品表面粗糙度小于0.5nm。
4)对样品先后进行无机、有机清洗，氮气吹干，放入微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)设备腔体中，控制微波等离子体功率使得腔室温度为900℃，保持氢气流量为50sccm，对生长的单晶金刚石外延薄膜2与重掺杂P型金刚石薄膜进行氢化处理，处理时间为5min，得到二维空穴气面密度为2×1013cm-2，迁移率为1200cm2/V·s。
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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下源漏电极图形。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、Au两层金属，各50、200nm。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5min，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得源电极7和漏电极8。
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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下栅介质层图形。将光刻好的样品置于电子束蒸发设备当中，在样品表面沉积高功函数WO3层；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5min，然后超声剥离掉曝光区域以外的氧化物，获得栅介质层6。
7)使用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗样品，并吹干；利用高功函数介质材料做掩膜对样品进行紫外/臭氧设备处理处理样品15min，将沟道区域4两侧转化为绝缘隔离区域5。
8)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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下栅电极图形。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，样品表面依次沉积Al、Au金属50、300nm。取出沉积完的金刚石样品，浸泡在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，并120℃水浴5min，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得栅电极9，最终获得制备完成的载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管。
实施例3
本发明实施例提供的一种载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管的制备方法，包含如下步骤：
1)使用金刚石衬底1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1上沉积单晶金刚石薄膜，等离子功率为1.2kW，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3μm，电阻率大于100mΩ·cm，均方根表面粗糙度0.35nm，拉曼曲线半峰宽1.8cm-1，XRD摇摆曲线半峰宽26arcsec。
3)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90s，使用设计的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下W掩膜区域图形。将光刻好的样品置于磁控溅射腔体中，样品室本底真空抽至5×10-6Torr后，样品传送至主腔体中，通入5sccm的氩气，溅射功率设置为100W，沉积20min。取出沉积W金属的样品，浸泡在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，超声剥离掉曝光区域以外的金属，清洗后氮气吹干。将包含W金属掩膜图形的样品置于电感耦合等离子体(ICP)刻蚀机样品室中，样品室本底真空抽至5×10-6Torr后，样品传送至主腔体中，通入30sccm的氧气，5sccm的氩气，ICP射频功率设置为500W，直流功率设置为100W，刻蚀1200s。取出刻蚀完成的金刚石样品，将样品分别置于丙酮、酒精、纯水中各超声15min，以去除样品表面的有机物和杂质，用气枪吹干备用。采用热丝化学气相沉积法(HFCVD)制备氮掺杂金刚石薄膜，采用0.3mm的钨丝，绕成螺旋状，匝数为10圈，热丝温度为2200℃，热丝与单晶金刚石薄膜的间距8mm，单晶金刚石薄膜表面温度为800℃，气体源为甲烷与氢气的混合气体(H2:CH4＝100:1)，掺杂气体为氮气和氢气的混合气体(H2:N2＝95:5)，腔体压力为3.5kPa，气体流量为100sccm。
4)对样品先后进行无机、有机清洗，氮气吹干，放入微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)设备腔体中，控制微波等离子体功率使得腔室温度为750℃，保持氢气流量为100sccm，对生长的单晶金刚石外延薄膜2与重掺杂P型金刚石薄膜进行氢化处理，处理时间为20min，得到二维空穴气面密度为2×1013cm-2，迁移率为1500cm2/V·s。
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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下源漏电极图形。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、Au两层金属，各50、500nm。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5min，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得源电极7和漏电极8。
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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下栅介质层图形。将光刻好的样品置于磁控溅射设备当中，在样品表面沉积BaF2层；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5min，然后超声剥离掉曝光区域以外的介质层，获得栅介质层6。
7)使用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗样品，并吹干；利用BaF2介质层做掩膜对样品进行氧等离子体处理3min，功率80W，氧气流量100sccm，将沟道区域4两侧转化为绝缘隔离区域5。
8)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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下栅电极图形。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，样品表面依次沉积Al、Au金属50、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5min，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得栅电极9，最终获得制备完成的载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管。
实施例4
本发明实施例提供的一种载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管的制备方法，包含如下步骤：
1)使用金刚石衬底1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1上沉积单晶金刚石薄膜，等离子功率为1.5kW，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3μm，电阻率大于100mΩ·cm，均方根表面粗糙度0.4nm，拉曼曲线半峰宽1.7cm-1，XRD摇摆曲线半峰宽28arcsec。
3)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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下离子注入区域的图形。将保留下来的光刻胶在120℃条件下坚膜120s。将光刻好的样品置于离子注入设备中，随后在室温下注入能量为100keV的磷离子，磷离子注入剂量为1015cm-2；随后在850℃下退火，恢复样品结晶度，得到重掺杂N型金刚石薄膜。离子注入后，重掺杂区域之间单晶金刚石外延薄膜2中压应力为1.2GPa。
4)对样品先后进行无机、有机清洗，氮气吹干，放入微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)设备腔体中，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100sccm，对生长的单晶金刚石外延薄膜2与重掺杂N型金刚石薄膜进行氢化处理，处理时间为25min，得到二维空穴气面密度为3×1013cm-2，迁移率为1400cm2/V·s。
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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下源漏电极图形。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、Au两层金属，各50、500nm。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5min，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得源电极7和漏电极8。
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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下沟道区域4保护图形，对样品进行紫外/臭氧处理20min，将沟道区域4两侧转化为绝缘隔离区域5。
7)使用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗样品，并吹干；将样品置于原子层沉积设备当中，在样品表面沉积Al2O3介质层；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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下栅介质层图形。之后用湿法腐蚀Al2O3介质层，去掉光刻胶后获得栅介质层6。
8)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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下栅电极图形。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，样品表面依次沉积Al、Au金属50、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5min，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得栅电极9，最终获得制备完成的金刚石基应力作用下高载流子迁移率的场效应晶体管。
实施例5
本发明实施例提供的一种载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管的制备方法，包含如下步骤：
1)使用金刚石衬底1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1上沉积单晶金刚石薄膜，等离子功率为1.5kW，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2μm，电阻率大于100mΩ·cm，均方根表面粗糙度0.35nm，拉曼曲线半峰宽1.6cm-1，XRD摇摆曲线半峰宽22arcsec。
3)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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下扩散掺杂区域的图形。将保留下来的光刻胶在120℃条件下坚膜120s。将光刻好的样品置于扩散掺杂设备中，将纯度为99.999％的五氧化二磷粉末沉积于于样品表面，再将样品送入退火炉中，在氧气氛围下，经过650℃(30min)-1250℃(60min)-1450℃(30min)阶梯热处理，完成磷扩散工艺。
4)对样品先后进行无机、有机清洗，氮气吹干，放入微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)设备腔体中，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80sccm，对生长的单晶金刚石外延薄膜2与重掺杂N型金刚石薄膜进行氢化处理，处理时间为15min，得到二维空穴气面密度为3×1013cm-2，迁移率为1200cm2/V·s。
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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下源漏电极图形。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、Au两层金属，各50、500nm。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5min，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得源电极7和漏电极8。
6)使用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗样品，并吹干；将样品置于PECVD设备当中，在样品表面沉积SiNx层，沉积条件为：反应气体为NH3和SiH4，载气为Ar等隋性气体，SiH4(用N2稀释到12％)与NH3气体流量比为4，淀积温度为300℃，反应压强为500mTorr，射频功率为300W，频率为13.65MHz。
7)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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下介质层保留图形；之后用BOE缓冲液湿法腐蚀SiNx薄膜。取出腐蚀完成的金刚石样品，浸泡在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，并120℃水浴5min，然后超声去除样品表面的光刻胶，获得栅介质层6。
8)使用丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗样品，并吹干；利用SiNx介质层做掩膜对样品进行氧等离子体处理10min，功率30W，氧气流量80sccm，将沟道区域4两侧转化为绝缘隔离区域5。
9)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90s，使用设计好的掩膜版进行紫外光刻曝光4s，显影30s去掉被曝光的光刻胶，留下栅电极图形。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，样品表面依次沉积Al、Au金属50、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5min，然后超声剥离掉曝光区域以外的金属获得栅电极9，最终获得制备完成的金刚石基应力作用下高载流子迁移率的场效应晶体管。
最后应当说明的是：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应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管，其特征在于，包括：金刚石衬底(1)、单晶金刚石外延薄膜(2)、栅介质层(6)、源电极(7)、漏电极(8)以及栅电极(9)；
所述金刚石衬底(1)上设置有所述单晶金刚石外延薄膜(2)；
所述单晶金刚石外延薄膜(2)设置有第一重掺杂金刚石薄膜区域和第二重掺杂金刚石薄膜区域；在第一重掺杂金刚石薄膜区域、第二重掺杂金刚石薄膜区域以及二者之间的单晶金刚石外延薄膜(2)表面设置有氢终端区域，在其余单晶金刚石外延薄膜(2)表面设置有氧终端区域；其中，所述氢终端区域为由二维空穴气导电层构成的沟道区域(4)；
所述源电极(7)和所述漏电极(8)均设置于所述沟道区域(4)上；
所述源电极(7)、所述漏电极(8)以及二者之间的沟道区域(4)上设置有所述栅介质层(6)；
所述栅电极(9)设置在所述栅介质层(6)和所述氧终端区域上。
2.根据权利要求1所述的一种载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管，其特征在于，所述第一重掺杂金刚石薄膜和所述第二重掺杂金刚石薄膜的掺杂浓度为1019cm-2～1021cm-2，电阻率小于100mΩ·cm，宽度为10μm～500μm，深度为10nm～5μm，内部产生拉应力。
3.根据权利要求1所述的一种载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管，其特征在于，所述第一重掺杂金刚石薄膜和所述第二重掺杂金刚石薄膜中的掺杂元素包括硼、铝、磷和氮中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管，其特征在于，所述沟道区域(4)的沟道长度为20nm～100μm，沟道内载流子浓度为5×1012cm-2～5×1014cm-2，迁移率为20cm2/V·s～2500cm2/V·s。
5.根据权利要求1所述的一种载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管，其特征在于，所述栅介质层(6)的材质为绝缘材料。
6.一种权利要求1所述的载流子迁移率增强的金刚石场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将金刚石衬底(1)进行清洗并吹干，获得清洗后的金刚石衬底(1)；
步骤2，在步骤1获得的金刚石衬底(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)；
步骤3，在步骤2获得的单晶金刚石外延薄膜(2)的预设区域形成重掺杂金刚石薄膜(3)，获得第一重掺杂金刚石薄膜区域和第二重掺杂金刚石薄膜区域；
步骤4，对单晶金刚石外延薄膜(2)表面进行氢化处理，获得氢终端区域；将第一重掺杂金刚石薄膜区域、第二重掺杂金刚石薄膜区域以及二者之间的单晶金刚石外延薄膜(2)表面上的氢终端区域作为沟道区域(4)；
步骤5，利用光刻技术在第一重掺杂金刚石薄膜区域、第二重掺杂金刚石薄膜区域上方的沟道区域(4)上分别形成源电极、漏电极图形，沉积源电极、漏电极金属，并利用剥离技术获得源电极(7)和漏电极(8)欧姆接触；
步骤6，在源电极(7)、漏电极(8)以及二者之间的沟道区域(4)上沉积形成栅介质层(6)；
步骤7，利用步骤6沉积获得的栅介质层(6)做掩膜，进行氧终端处理，形成氧终端区域；
步骤8，利用光刻技术在所述栅介质层(6)和所述氧终端区域上形成栅电极图形，沉积栅电极金属，获得栅电极(9)。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述在步骤2获得的单晶金刚石外延薄膜(2)的预设区域形成重掺杂金刚石薄膜(3)的步骤具体包括：
在步骤2获得的单晶金刚石外延薄膜(2)的预设区域，通过刻蚀及选区外延生长、扩散或离子注入工艺形成重掺杂金刚石薄膜(3)。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，通过刻蚀及选区外延生长工艺形成重掺杂金刚石薄膜(3)时，
先对单晶金刚石外延薄膜(2)进行ICP刻蚀，射频功率为200W～1000W，直流功率50W～300W，刻蚀时间为30s～1800s；随后进行选区外延生长，腔体温度为800℃～1200℃，腔体压力为3kPa～18kPa。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，通过扩散工艺形成重掺杂金刚石薄膜(3)时，
将掺杂物质的化合物涂覆在单晶金刚石外延薄膜(2)表面，由600℃至1800℃以300℃～400℃的变化范围，阶段性升温退火形成重掺杂。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，通过离子注入工艺形成重掺杂金刚石薄膜(3)时，
离子能量为20keV～1500keV，注入离子剂量为1015cm-2～1020cm-2。
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