一种纳米晶金刚石薄膜场效应晶体管的制备方法

摘要

本发明涉及一种纳米晶金刚石薄膜场效应晶体管的制备方法，该方法主要步骤：硅衬底预处理后放入微波等离子体化学气相沉积装置的反应室内作为沉积衬底；在甲烷与氢气的混合反应气体中进行金刚石薄膜生长，然后用进行氢等离子体刻蚀，即得p型纳米晶金刚石薄膜；再采用离子束溅射仪及光刻掩模技术在p型纳米晶金刚石薄膜表面制作场效应晶体管的源、漏和栅电极。本发明不需抛光处理就可以直接进行器件制作，具有制作工艺简便和成本较低，有利于促进金刚石基器件的大规模应用。

权利要求

1.一种纳米晶金刚石薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征在于该制备方法具 有以下的过程和步骤：

1)硅衬底预处理：对(100)镜面抛光硅片，采用HF酸超声清洗5～15分钟， 以去除表面的氧化硅层，用100nm粒径的金刚石粉末对硅片机械研磨10～ 15分钟，再在混有100nm金刚石粉末的丙酮溶液中超声清洗10～20分钟， 然后将硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗，直至硅片表面洁净，烘干后 放入微波等离子体化学气相沉积装置的反应室内作为沉积衬底；

2)p型纳米晶金刚石薄膜制备：先用真空泵对反应室抽真空至5～7Pa，然后 用分子泵对反应室抽真空至10-2Pa以下，通入甲烷与氢气的混合反应气体， 调节甲烷和氢气的流量分别为40～60标准毫升/分和120～160标准毫升/ 分；反应室的气压设定为0.5～1kPa，衬底偏压设定为50～150V，衬底温 度控制在620～680℃，微波功率设定为1200～1600W，薄膜生长时间2～4 小时，生长过程完成后，进行氢等离子体刻蚀处理：将甲烷流量调为0，调 节气压为2～3KPa，保持氢气流量120～160标准毫升/分1～2小时，即得 p型纳米晶金刚石薄膜；

3)纳米晶金刚石薄膜场效应晶体管的制备：采用离子束溅射仪及光刻掩模技 术在p型纳米晶金刚石薄膜表面制作场效应晶体管的源、漏和栅电极，源、 漏电极采用金作为电极材料，形成欧姆接触电极，栅电极采用铝为电极材 料，形成肖特基接触电极；电极为条状，宽度均为400～600微米，电极之 间间隔为200～300微米，金属电极层厚度均为100～300nm。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种基于p型未掺杂纳米晶金刚石薄膜场效应晶体管的制 造方法，属于无机非金属材料器件制造工艺领域。

背景技术

近年来，光电子技术在高度信息化社会起到越来越重要的作用，光子集成和 光电子集成技术对器件的功率、频率、工作温度等提出了更高的要求。由双极型 晶体管(BJT)或场效应晶体管(FET)等三端器件构成的光电器件-光敏晶体 管具有重要的应用前景。相对双极型光敏晶体管来说，场效应光敏晶体管可实现 极高速光探测，响应时间可达几十ps，可望在光电集成中得到广泛应用。目前FET 一般采用Si和GaAs材料。传统的硅器件，在高频、大功率领域越来越显示其局 限性，且不适宜于高辐射条件。GaAs器件虽然可以获得优异的高频特性，但由 于材料的击穿场强和热导率低，无法实现大功率工作。目前这方面的研究主要集 中于SiC、GaN和金刚石等宽禁带半导体材料，由于材料本身的限制，基于SiC或 GaN材料的器件无法很好地解决散热问题。金刚石是一种集多种优良性能于一体 的功能材料，具有高击穿电场、高饱和载流子漂移速率、高热导率等特性。另外， 金刚石还具有良好的化学稳定性、优良的机械性能、磨擦性能、耐高温性能及与 生物体有良好的兼容性，已引起微电子技术、光电子技术、微机械等领域的广泛 关注，成为新材料研究的热点之一。20世纪80年代，化学气相沉积(CVD)法 合成金刚石薄膜技术和p型掺杂技术取得突破性进展，使人们大规模利用金刚石 的愿望得以实现。研究表明：基于金刚石薄膜的电子器件能够在硅器件无法应用 的场合发挥不可替代的作用，可实现高温、高速、高功率和抗辐射器件，因此被 公认为是最有发展前途的新型电子材料之一。
由于金刚石n型掺杂技术还未突破，目前报道的所有金刚石基FET均为p型硼 (B)掺杂沟道器件或p型非掺杂氢(H)终端表面沟道器件。但由于硼受主激活 能较大(370meV)，甚至在高温下也不能完全激活，导致B掺杂沟道FET具有较 小的漏极电流和跨导，且在高温、大电压下工作时又导致大的反向泄漏电流，不 利于器件工作。令人欣慰的是，没有掺杂情况下，CVD金刚石表面通过氢等离 子体处理可以获得氢(H)终端p型表面导电沟道，该沟道相当于一个激活能低 于23meV的二维空穴气(2DHG)，并成功地被制成了H终端表面沟道FET器件， 这种H终端表面沟道器件的制作工艺非常简单，不需要掺杂、氧化和钝化层沉积 过程，制作成本明显低于p型B掺杂金刚石FET和硅基FET。然而，目前国际上正 在开发的掺杂或未掺杂金刚石基FET均采用微米级多晶金刚石薄膜，表面粗糙度 往往较高(典型值为几百个nm至几个μm量级)，需要抛光处理后才能进行器件 的电极制作，而由于金刚石硬度很大，通过机械、化学抛光等手段处理非常困难， 成本相对太高，限制了金刚石基FET器件的研究，致使其在微电子学、光电子学 和生物电子学方面的应用至今尚未完全打开局面。
相对于微米级多晶金刚石薄膜，纳米晶金刚石薄膜表面非常光滑，表面粗糙 度可以达到几十个甚至几个纳米量级，不需要后续的抛光处理就可以直接进行电 极的精细制作，而且适当的制备工艺下得到的纳米晶金刚石薄膜同样具有p型导 电能力，无需进行p型硼掺杂。因此p型未掺杂纳米晶金刚石薄膜场效应晶体管 相对于传统的金刚石基晶体管来说，既可以避免掺杂器件激活电压太高，漏极电 流太小的缺点，又比多晶金刚石薄膜器件简化了制作工艺，大大降低了制作成本， 这必将会极大地促进金刚石基FET器件在各个领域的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米晶金刚石薄膜场效应晶体管的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种纳米晶金刚石薄膜场效应晶体管的制备方法，其特征在于该工艺具有以 下的过程和步骤：
1)硅衬底预处理：采用(100)镜面抛光硅片作为沉积衬底；采用HF酸超声 清洗5～15分钟，以去除表面的氧化硅层；为了增加纳米晶金刚石薄膜的 成核密度，使用100nm粒径的金刚石粉末对硅衬底机械研磨10～15分钟； 将研磨后的硅片在混有100nm金刚石粉的丙酮溶液中超声清洗10～20分 钟；最后再将硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗，直至硅片表面洁净， 烘干后放入微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置的反应室内；
2)p型纳米晶金刚石薄膜制备：先用真空泵对反应室抽真空至5～7Pa，然后 用分子泵对反应室抽真空至10-2Pa以下，通入反应气体(甲烷与氢气的混 合气体)，调节甲烷和氢气的流量分别为40～60标准毫升/分和120～160 标准毫升/分；反应室的气压设定为0.5KPa～1kPa；衬底偏压设定为50～ 150V；衬底温度控制在620～680℃；微波功率设定为1200W～1600W；薄 膜生长时间2～4小时；生长过程完成后将甲烷流量调为0，调节气压为2～ 3KPa，保持氢气流量120～160标准毫升/分1～2小时，即用氢等离子体刻 蚀处理1～2小时，在纳米晶金刚石薄膜表面形成一p型薄层，这个刻蚀处 理过程中其它条件与生长时一样；
3)场效应晶体管(FET)的制备：采用离子束溅射仪及光刻掩模技术在p型纳 米晶金刚石薄膜表面制作场效应晶体管的源、漏和栅电极，源、漏电极采 用金作为电极材料，形成欧姆接触电极，栅电极采用铝为电极材料，形成 肖特基接触电极；电极为条状，宽度均为400～600微米，电极之间间隔为 200～300微米，金属电极层厚度均为100～300nm。
本发明是在p型未掺杂纳米晶金刚石薄膜材料上，设计制作FET器件，为 高性能、低成本金刚石薄膜FET器件的制作提供一种新方法。
本发明的主要特征在于通过对纳米晶金刚石薄膜的氢等离子体处理获得H 终端的p型未掺杂纳米晶金刚石薄膜；在纳米晶金刚石薄膜上制作电极，获得性 能优良的金刚石薄膜FET器件。
本发明同现有技术相比，具有如下显著优点：
(1)本发明在高频、高功率应用方面比传统Si、GaAs等材料FET器件有无 可比拟的优势。
(2)本发明不需掺杂就可以获得p型金刚石，比现有硼掺杂金刚石基FET 具有低得多的激发电压和较大的漏极电流，器件性能得到改善。
(3)本发明不需抛光处理就可以直接进行器件电极制作，比现有多晶金刚石 基FET器件具有更简单的制作工艺和较低的成本。这有利于促进金刚石基器件 的大规模应用。

附图说明

图1为本发明p型未掺杂纳米晶金刚石薄膜场效应晶体管结构示意图。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于后。
实施例1
本实施例的工艺过程和步骤如下：
(1)硅衬底预处理：采用1×1cm2(100)镜面抛光硅片作为沉积衬底。采 用HF酸超声清洗10分钟，去除硅表面的氧化硅层。为了增加成核密度，使用 100nm粒径的金刚石粉末对硅衬底机械研磨10分钟。将研磨后的硅片在混有 100nm金刚石粉的丙酮溶液中超声清洗15分钟。然后将硅片用去离子水清洗5 分钟，再用丙酮清洗2次，每次10分钟，烘干后放入微波等离子体化学气相沉 积装置的反应室内。
(2)p型纳米晶金刚石薄膜制备：先用真空泵对反应室抽真空至5Pa，然后 用分子泵对反应室抽真空至5×10-3Pa，通入反应气体(甲烷与氢气的混合气体)， 调节甲烷和氢气的流量分别为50标准毫升/分和160标准毫升/分；沉积室的气压 设定为1kPa；衬底偏压设定为100V；衬底温度控制在660℃；微波功率设定为 1500W；薄膜生长时间3小时；生长过程完成后将甲烷流量调为0，调节气压为 3KPa，保持氢气流量160标准毫升/分1小时，即用氢等离子体刻蚀处理1小时， 在纳米晶金刚石薄膜表面形成一p型薄层，这个刻蚀处理过程中其它条件与生长 时一样。
(3)场效应晶体管(FET)的制备：采用LDM150D离子束溅射仪及光刻掩 模技术在p型纳米晶金刚石薄膜表面制作如图1所示的FET器件的源、漏和栅 电极。源、漏电极采用金作为电极材料，形成欧姆接触，栅电极采用铝为电极材 料，形成肖特基接触，在p型金刚石层中形成耗尽层。电极为条状，宽度均为 400微米，电极之间间隔为200微米，金电极层厚度为200nm，铝电极层厚度为 100nm。
通过对以上制备的FET器件进行电性能测试，结果表明该器件具有明显的 场效应晶体管电流-电压特性。当栅电压为-0.5V时，饱和漏电流达到8μA。