[发明专利]金刚石薄膜的光敏晶体管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于自支撑金刚石薄膜的金属Pb-氰化物SiO₂-P型金刚石薄膜半导体场效应晶体管的制备方法，属于光电子探测器件制造工艺技术领域。

背景技术

在所期待的发展领域中，人们对开发新型宽禁带半导体器件寄予厚望，尤其对如在汽车电子应用方面的功率控制必不可少和耐压数百伏以上的大功率低功耗场效应管(FET)，以及对在移动通信、低轨卫星通信中继站内使用的高频FET。传统的Si和GaAs半导体材料出于自身结构和特性的原因，在高温、高频、大功率以及抗辐射等方面越来越显出其不足和局限性。硅的禁带宽度较小，因此由硅材料制造的器件不能工作在高于150℃的环境中，无法满足新一代光电探测领域高通量、高辐照强度、高温等苛刻环境的要求。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。在科学技术飞速发展的今天，越来越多的领域如航天、航空、军事、石油勘探、核能、通讯等迫切地需要能够承受高温同时又在高频大功率、抗辐照等方面具有良好性能的晶体管探测器材料。

目前在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。从这些材料的综合性能来看，金刚石是一种集多种优良性能于一体的探测器材料：其晶格结合牢固，具有强抗辐射能力，即使在大剂量高能粒子的辐照下，其晶格失配也很小，具有相当低的辐照损伤；禁带宽度大，常温下具有极高的电阻率，本征载流子浓度非常低，因此其漏电流相当低，热噪声小，器件可在高温度环境下稳定工作，且不需形成p-n结和加反向偏压来抑制漏电流，探测器结构简单；介电系数小，信噪比高，且在强辐照下噪声电流也不会增加；载流子迁移率高，其电荷收集时间比硅探测器快4倍。所有这些优良特性(低的辐照损伤、快的电荷收集时间、高的信噪比)以及最高的硬度、极好的机械性能、化学稳定性、频率稳定性以及良好的温度稳定性等优异性能，使金刚石成为一种理想的能有效工作于高温下，能高速响应、抗辐照能力强的探测器材料。近年来随着化学气相沉积(CVD)合成金刚石薄膜方法不断地完善和p型掺杂技术的突破，使人们大规模利用金刚石的愿望得以实现，大大促进了金刚石薄膜探测器的研究和发展。基于金刚石薄膜的超高速、大功率和抗辐射，该探测器在光电子技术中具有极其重要的应用前景。

金刚石薄膜光敏晶体管的性能很大程度上取决于金刚石薄膜的质量，国际上正在开发的金刚石薄膜光敏晶体管多采用基于硅衬底的多晶金刚石薄膜，然而由于表面粗糙度和晶界的存在，器件性能(时间响应速度、灵敏度等)受到严重限制。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，限制了金刚石薄膜晶体管的研究和大规模地应用。国际上在对金刚石薄膜的研究中发现，与其它取向金刚石薄膜相比，自支撑金刚石薄膜的成核面具有最好的表面光洁度，可达到纳米级的表面粗糙度。自支撑金刚石薄膜的成核面具有最佳的性能，有助于克服任意取向的多晶金刚石薄膜晶界杂乱、缺陷多、表面粗糙、均匀性不好等缺点。同时，其金刚石薄膜表面光滑平整，摩擦系数小，其缺陷、晶界尺度以及表面粗糙度远低于常规金刚石薄膜，甚至比纳米金刚石薄膜的表面平整，它不需要后续的抛光技术就可以大幅度提高金刚石薄膜的光洁度，有利于降低制备成本。

另外，金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)可实现晶体管较高的器件跨越，可望在高频场效应光敏晶体管集成电路中得到广泛应用。采用金属-氧化物-半导体晶体管结构制备场效应晶体管可望有效地提高探测器的性能。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场效应晶体管均为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。由于硼受主激活能较大，甚至在高温下也不能完全激活，导致B掺杂沟道场效应晶体管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。但是，在没有掺杂情况下，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，目前已成功地制成了H终端表面沟道场效应晶体管，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掺杂金刚石基场效应晶体管。

针对目前尚未突破单晶金刚石薄膜制备技术以及P型掺杂技术的研究进展情况，我们提出了一种基于自支撑金刚石薄膜制备金属-氧化物-半导体场效应晶体管结构，有望进一步提高金刚石薄膜光敏晶体管的探测性能。

发明内容