一种常关型二维氧化镓异质结场效应管场效应管及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种常关型二维氧化镓异质结场效应管及其制备方法。

背景技术

氧化镓作为新兴的半导体材料，拥有4.5eV-4.9eV的超宽禁带宽度，并因此获得了约8MV/cm的高临界击穿场强，这一数值是传统硅材料的二十倍以上，是已被广泛作为功率应用的S iC、GaN材料的两倍以上。另外由于氧化镓有着高禁带宽度带来的低电离率和极低的理论导通电阻，氧化镓用于单极型器件其损耗也远低于S iC、GaN等材料。

氧化镓晶体存在有α、β、γ、δ和ε五种晶体形态，其中β相Ga

发明内容

本发明的目标在于针对上述现有技术的存在的氧化镓p型掺杂难以实现，以通过使用其它p型材料来构建p-n异质结；同时在异质结栅上添加绝缘介质阻碍栅极电流的产生，同时提高器件的耐压能力，从而改善器件性能。

为实现该目标，本发明的常关型二维氧化镓异质结场效应管，自下而上包括：绝缘衬底1、β-Ga

作为优选方案，所述绝缘衬底1的材料为金刚石、SiO

作为优选方案，所述β-Ga

作为优选方案，所述二维材料薄膜层6的材料为二维p型材料WSe

作为优选方案，所述介质层7的材料为h-BN或MnO

作为优选方案，所述栅电极8采用Pt/Au高功函数金属；所述源电极3、漏电极4采用Au/Ti或Ti/Al/Ni/Au。

为实现该目标，本发明的常关型二维氧化镓异质结场效应管的制备方法，包括以下步骤：

步骤s1：β-Ga

步骤s2：目标衬底的预处理；处理目标衬底表面，得到表面洁净的衬底材料。

步骤s3：转移β-Ga

步骤s4：制作源漏金属电极；对衬底表面匀涂光刻胶，经过前烘和光刻得到图案化的光刻胶-目标基底结构，然后在源端电极区域和漏端电极区域淀积金属，并经过剥离形成源端电极和漏端电极；

步骤s5：快速退火形成欧姆接触；将样品快速退火，形成良好欧姆接触；

步骤s6：制作绝缘层；制作源漏区金属电极和p型二维薄膜层及栅电极之间半遮蔽的绝缘层，形成电学隔离；

步骤s7：制作p型二维薄膜层；采用机械剥离法获得p型二维薄膜层；将p型二维薄膜层转移至绝缘层上，并引出一端与所述β-Ga

步骤s8：制作介质层；用机械剥离法获得的高介电常数的薄层介质，转移到器件隔离层上，充分覆盖所述p型二维薄膜层作为栅介质层；

步骤s9：制作栅电极；在绝缘层上通过蒸镀或转移方法，获得Au/Pt金属栅电极。

作为优选方案，所述步骤s4制作源漏金属电极中使用的光刻胶包括正胶或负胶，胶的厚度为1μm。

作为优选方案，所述步骤s4制作源漏金属电极，具体包括如下步骤：

s4a清洗后的绝缘衬底旋涂SOG层；

s4b使用CF

s4c将样品放入退火炉内，N

s4d使用电子束蒸发E-Beam系统在源漏端电极区域电极厚度为20nm/80nm的T i/Au作为电极；

s4e将完成金属电极淀积的样品放入剥离液中，剥离后形成源端电极与漏端电极。

作为优选方案，所述步骤s6制作绝缘层中，半遮蔽的绝缘层可采用CVD或ALD的方法淀积S i O

本发明具有如下有益效果：

1.本发明的场效应管利用在n型氧化镓与p型二维材料接触形成的异质p-n结结构对氧化镓薄膜沟道耗尽，形成空间电荷区，器件在无施加栅极电压的情况下常态关断，制作出氧化镓水平增强型器件。

2.本发明的场效应管在结型场效应晶体管的基础上，在栅极金属与p型二维材料薄层间引入h-BN薄层栅介质，改善了增强型JFET器件存在的栅极漏电的问题。

3.本发明所采用的薄膜制备方法为机械剥离法，操作简便，成本低，且晶片表面晶格完整度高、薄膜质量较高；利用机械剥离法制备出的β-Ga

4.本发明场效应管的制备方法中转移后的氧化镓薄膜表面粗糙度明显优于氧化镓体衬底材料，且转移至衬底时无应力退化。

5.本发明场效应管的制作方法中采用金刚石、二氧化硅等具有高导热性材料制成的衬底，有效解决了氧化镓器件热导率低、热积累的问题。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明常关型二维氧化镓异质结场效应管结构俯视图；

图2为本发明常关型二维氧化镓异质结场效应管结构正视图；

图3为本发明常关型二维氧化镓异质结场效应管制备方法的工艺流程图；

图4为本发明常关型二维氧化镓异质结场效应管的制作示意图。

其中1、绝缘衬底，2、β-Ga

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下结合附图对本发明的常关型二维氧化镓异质结场效应管和制备方法做进一步详细描述。

请参阅图1和图2，本发明的常关型二维氧化镓异质结场效应管包括：绝缘衬底、β-Ga

参照图3，本发明的常关型二维氧化镓异质结场效应管的制备方法基本步骤如图3中所示，主要包括薄膜材料的制备、衬底的选择和清洗、薄膜材料的转移、源漏金属电极沉积、热退火欧姆接触、绝缘层的制作二维材料薄膜层的转移、栅介质的转移以及栅金属电极的制作；参照图4本发明给出如下三个常关型二维材料氧化镓异质结场效应晶体管的制备方法具体实施例。

实施例1：1um的S iO

步骤1：制备β-Ga

选择掺杂浓度为1.8×1017cm-3的n型β-Ga

步骤2：清洗S iO

选取S iO

步骤3：将纳米级β-Ga

用PDMS胶转移蓝胶带上的β-Ga

步骤4：制作源漏电极

在清洗完成之后的β-Ga

步骤5：热退火将源漏电极形成欧姆接触

将样件放置在退火炉内，在N

步骤6：制作绝缘层

滴正胶AZ4620后以转速为4000r/s旋转40s，然后将其放在加热板上在100℃下烘干120s得到厚度为1μm的一层AZ4620光刻胶，掩膜后利用光刻机对结构为光刻胶-SiO

步骤7：制备WSe

将多层WSe

步骤8：制作栅极介质层

将h-BN采用机械剥离法置于胶带上反复对撕获得厚度为20nm的薄膜材料，将胶带转移至隔离层上，充分覆盖绝缘层上WSe

步骤9：制作栅电极

再次对绝缘表面进行光刻，先涂一层光刻胶，之后通过对准、曝光、显影、图形检测这一系列具体的光刻工艺形成栅极区域，再通过电子束蒸发E-Beam系统在栅极区域淀积厚度为20nm/60nm的Pt/Au，再放入剥离液中，通过剥离形成栅电极，完成整个器件的制备过程。

实施例2：衬底材料为蓝宝石材料，β-Ga

步骤1：β-Ga

选择掺杂浓度为1.8×1017cm

步骤2：蓝宝石衬底清洗

选取蓝宝石衬底将其浸泡在丙酮溶液中8小时，再依次用异丙酮、去离子水分别冲洗5mi n，以去除有机污染物，之后用氮气吹干使其干燥。

步骤3：将纳米级β-Ga

用PDMS胶转移蓝胶带上的氧化镓薄膜，在光学显微镜下厚度在100nm左右且薄厚均匀的材料，利用转移平台转移到蓝宝石绝缘衬底片上，向粘胶带部位施加1200g/cm

步骤4：光刻形成器件源漏极区域

在清洗完成之后的β-Ga

步骤5：热退火形成源漏电极欧姆接触

将样件放置在RTP设备内，在N

步骤6：绝缘层制作

将欧姆接触工艺完成后的样品通过光刻技术在源漏金属区域形成待淀积区域，之后通过PECVD工艺，控制反应室温度350℃，反应室气体与流速比为S iH

步骤7：制备MoS

将多层MoS

步骤8：制作h-BN栅极介质层

将h-BN采用机械剥离法获得厚度为20nm的薄膜材料，将胶带转移至隔离层上，充分覆盖绝缘层上MoS

步骤9：制作栅电极

再次对绝缘表面进行光刻，先涂一层光刻胶，之后通过对准、曝光、显影、图形检测一系列具体的光刻工艺形成栅极区域，再通过电子束蒸发E-Beam系统在栅极区域淀积厚度为20nm/80nm的Pt/Au，再放入剥离液中，通过剥离形成栅电极，完成整个器件的制备过程。

实施例3：衬底材料为金刚石材料，β-Ga

步骤1：β-Ga

选择掺杂浓度为1.8×1017cm

步骤2：金刚石衬底清洗

选取缺陷密度低、应力小的金刚石衬底，将衬底放入HNO

步骤3：将纳米级β-Ga

用PDMS胶转移蓝胶带上的氧化镓薄膜，在光学显微镜下厚度在100nm左右且薄厚均匀的材料，利用转移平台转移到金刚石绝缘衬底片上，向粘胶带部位施加1200g/cm

步骤4：制作源漏电极

在清洗完成之后的β-Ga

步骤5：热退火将源漏电极形成欧姆接触

将样件放置在RTP设备内，在N

步骤6：绝缘层制作

将欧姆接触工艺完成后的样品放入PEALD腔室，使用TMA和H

步骤7：转移WSe

将多层WSe

步骤8：制作栅极介质层

将h-BN采用机械剥离法获得厚度为20nm的薄膜材料，将胶带转移至隔离层上，充分覆盖绝缘层上WSe

步骤9：制作栅电极

再次对绝缘表面进行光刻，先涂一层光刻胶，之后通过对准、曝光、显影、图形检测一系列具体的光刻工艺形成栅极区域，再通过电子束蒸发E-Beam系统在栅极区域淀积厚度为20nm/60nm的Pt/Au，再放入剥离液中，通过剥离形成栅电极，完成整个器件的制备过程。

以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。