云母薄膜的制备方法及晶体管与流程

本发明涉及薄膜制备技术领域，具体地讲，涉及一种云母薄膜的制备方法及晶体管。

背景技术：

作为宽禁带半导体材料的典型代表，氮化镓(gan)基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、击穿场强高和导热性能好等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。更重要的是，gan基材料可以形成调制掺杂的algan/gan异质结构，该结构在室温下可以获得很高的电子迁移率，极高的峰值电子速度和饱和电子速度，并获得比第二代化合物半导体异质结构更高的二维电子气密度。因此，基于algan/gan异质结的高电子迁移率晶体管在大功率微波器件方面具有非常好的应用前景。同时，在雷达、通信、高温和抗辐射等应用系统和领域具有巨大的需求前景和应用潜力。

但是，algan/gan异质结材料表面存在由晶体缺陷引起的表面态，这些表面态的存在会使器件在高频大功率应用时产生电流崩塌现象，使得器件的输出功率大打折扣。当前，器件表面钝化法是一种常用的能够有效地抑制电流崩塌现象的方法。例如，在已完成电极的器件表面，用等离子体增强化学气相沉积法淀积一层厚为350nm的氮化硅(si3n4)薄膜作为钝化层。实验结果发现，经过si3n4钝化的algan/gan异质结晶体管的输出功率密度提高了一倍。经试验证明，si3n4钝化的方法可以有效地抑制电流崩塌。但这种方法工艺复杂，并且只是一定程度上减小电流崩塌，不能完全阻止表面态对主沟道中二维电子气的影响，高电场时二维电子气仍然会被表面态俘获，从而影响器件性能的稳定和可靠性。

此外，由于肖特基栅algan/gan异质结器件的反向漏电较大，会导致器件的击穿电压、效率、增益等关键性能恶化。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种云母薄膜的制备方法，其包括：将衬底放置于真空的脉冲激光沉积设备中；利用脉冲激光熔蚀云母靶材，使云母靶材的表面产生等离子体羽辉，所述等离子体羽辉沉积在所述衬底上生长形成均匀的云母薄膜。

进一步地，在利用脉冲激光熔蚀云母靶材的同时或者之前，对所述衬底进行加热，以使所述衬底被加热至预定温度。

进一步地，在真空环境下对生产形成的云母薄膜进行原位退火。

进一步地，所述脉冲激光的波长为248nm，所述脉冲激光的能量密度为1j/cm²-20j/cm²，所述脉冲激光的频率为1hz-10hz。

进一步地，所述云母靶材与所述衬底之间的距离为2cm-10cm。

进一步地，所述预定温度为25℃-750℃，优选的是500℃。

进一步地，在真空环境下以500℃-1000℃的退火温度对云母薄膜进行原位退火。

本发明的另一目的还在于提供一种晶体管，其包括：衬底；位于所述衬底上的缓冲层；位于所述缓冲层上的氮化镓高阻层；位于所述氮化镓高阻层上的氮化镓沟道层；位于所述氮化镓沟道层上的氮化铝插入层；位于所述氮化铝插入层上的势垒层；位于所述势垒层上的氮化镓盖帽层；利用上述的制备方法在所述氮化镓盖帽层上制备的云母薄膜。

进一步地，所述云母薄膜的厚度为1nm-500nm，优选为1nm-100nm。

进一步地，所述缓冲层的厚度为200nm-2000nm；所述氮化镓高阻层的厚度为500nm-3000nm，所述氮化镓沟道层的厚度为1nm-1000nm；所述氮化铝插入层的厚度为1nm-20nm；所述势垒层的厚度为1nm-200nm；所述氮化镓盖帽层的厚度为1nm-20nm。

本发明的有益效果：本发明的晶体管引入云母薄膜作为电介质层，由于云母的层状二维纳米结构具有超薄的厚度，有利于晶体管的栅极调制，并且有助于晶体管在纵向方向的高密度集成。进一步地，云母薄膜的表面非常光滑，这个特征使晶体管的载流子能够免于表面粗糙度及陷阱态的影响，从而晶体管能够获得较高的载流子迁移率。此外，云母薄膜的引入可以显著减小晶体管的栅极电流，同时云母薄膜可以作为晶体管的表面钝化层来稳定半导体材料的表面态，有效的抑制晶体管的电流崩塌，改善晶体管的微波功率性能和提高晶体管的长期可靠性，而且可以提高晶体管的击穿电压等关键性能，具有降低工艺复杂度的优点。此外，利用脉冲激光沉积法(pulsedlaserdeposition，pld)制备出的云母薄膜的成份能够与云母靶材成分基本保持一致。

附图说明

图1为本发明的实施例的氮化镓基高电子迁移率晶体管的结构示意图；

图2是根据本发明的实施例的云母薄膜的制备方法的流程图。

具体实施方式

为了更好地阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的实施例及其附图进行详细描述。但是，显然可对本发明进行不同的变型和改型而不超出后附权利要求限定的本发明更宽的精神和范围。因此，以下实施例具有例示性的而没有限制的含义。

图1是根据本发明的实施例的氮化镓基高电子迁移率晶体管的示意图。

参照图1所示，根据本发明的实施例的氮化镓基高电子迁移率晶体管包括衬底1、位于衬底1上的缓冲层2、位于缓冲层2上的氮化镓高阻层3、位于氮化镓高阻层3上的氮化镓沟道层4、位于氮化镓沟道层4上的氮化铝插入层5、位于氮化铝插入层5上的势垒层6、位于势垒层6上的氮化镓盖帽层7以及位于氮化镓盖帽层7上的云母薄膜8。在本实施例中，云母薄膜8作为电介质层。

衬底1的材料可以是蓝宝石、硅、氮化镓、碳化硅或氮化铝中的任意一种。

位于衬底1上的缓冲层2的材料可以是氮化铝、氮化镓或铝镓氮中的任意一种。此外，缓冲层2的厚度可为200nm-2000nm。

位于缓冲层2上的氮化镓高阻层3的厚度可为500-3000nm。

位于氮化镓高阻层3上的氮化镓沟道层4的厚度为1nm-1000nm。

位于氮化镓沟道层4上的氮化铝插入层5的厚度大于0nm且不大于20nm。

位于氮化铝插入层5上的势垒层6的材料可以是铝镓氮或者铝铟氮中的任意一种，其中，势垒层6中铝的组分为1％-90％。此外，势垒层6的厚度为1nm-200nm。

位于势垒层6上的氮化镓盖帽层7的厚度为1nm-20nm。

位于氮化镓盖帽层7上的云母薄膜8的厚度为1nm-500nm。进一步地，优选地，位于氮化镓盖帽层7上的云母薄膜8的厚度为1nm-100nm。

在本实施例中，由于在晶体管结构中引入了云母薄膜8作为电介质层，该云母薄膜8是具有层状二维纳米结构的硅酸盐材料，具有较高的电击穿强度(0.1-1v/nm)，大的禁带宽度(10.5ev)，较高的介电常数(6.4-9.3)和电绝缘强度，高的物理化学及热稳定性。

由于具有层状二维纳米结构的云母薄膜8具有超薄的厚度，因而有利于晶体管结构的栅极调制，并且有助于晶体管结构在纵向方向的高密度集成；而且层状二维纳米结构表面非常光滑，这一特性能够使载流子免于晶体管结构的表面粗糙度及陷阱态的影响，从而使晶体管结构能够获得较高的载流子迁移率。

具有该云母薄膜8的氮化镓基高电子迁移率晶体管结构可以显著减小栅极电流；同时该云母薄膜8可以作为表面钝化层，用于稳定半导体材料的表面态，从而有效地抑制电流崩塌，改善晶体管结构的微波功率性能，提高晶体管结构的长期可靠性；并且能够提高晶体管结构的击穿电压、效率、增益等关键性能。

此外，该晶体管结构利用云母薄膜8作为表面钝化层，不需要另外形成钝化层，降低了工艺的复杂度。

以下将参照图2对本实施例的云母薄膜的制备进行详细说明。图2是根据本发明的实施例的云母薄膜的制备方法的流程图。

参照图2，在操作210中，提供一衬底。这里，该衬底材料可为蓝宝石、硅、氮化镓、碳化硅、氮化铝、石墨烯、铜和铂中的任意一种，但本发明并不限制于此。

在操作220中，对所述衬底进行清洁处理。这里，可采用丙酮、酒精、去离子水对所述衬底进行清洗。进一步地，在清洗之后，利用高温加热(例如600℃)将所述衬底烘干。需要说明的是，该操作220为优选操作；也就是说，作为其他实施方式，不对所述衬底进行清洁也可以。

在操作230中，将所述衬底放置于超高真空的脉冲激光沉积设备中。这里，在脉冲激光沉积设备中，采用krf准分子激光器，但本发明并不限制于此。

在操作240中，对所述衬底进行加热，以使所述衬底被加热至预定温度。这里，所述预定温度优选为500℃，但本发明并不限制于此，所述预定温度可以为25℃-750℃之间的任一温度。需要说明的是，该操作240为优选操作；也就是说，作为其他实施方式，不对所述衬底进行加热也可以。

在操作250中，利用脉冲激光熔蚀云母靶材，使云母靶材的表面产生等离子体羽辉，所述等离子体羽辉沉积在所述衬底上生长形成均匀的云母薄膜。这里，利用krf准分子激光器产生波长为248nm的脉冲激光溶蚀云母靶材，该脉冲激光的能量密度可为1j/cm²-20j/cm²，该脉冲激光的频率为1hz-10hz，但本发明并不限制于此。

在进行操作250中，优选地，云母靶材与所述衬底之间的距离为2cm-10cm。在本实施例中，云母靶材可以为白云母靶材、黑云母靶材或者氟晶云母靶材。

在操作260中，在超高真空环境下对生长形成的云母薄膜进行原位退火。这里，在超高真空环境下以500℃-1000℃的退火温度对云母薄膜进行原位退火。例如，可在超高真空环境下以800℃的退火温度对云母薄膜进行1小时的原位退火。

此外，在上述操作中，操作240是在操作250之前进行的，但本发明并不限制于此，例如，操作240也可与操作250同时进行，即对所述衬底加热的同时在所述衬底上沉积云母薄膜。

在图1所示的晶体管的制作中，可利用图2所示的云母薄膜的制备方法在氮化镓盖帽层7上形成云母薄膜8。

通常，层状材料可以通过机械剥离的方法获得，例如石墨烯，氮化硼等，更多的是通过化学气相沉积(chemicalvapordeposition，cvd)生长的发法获得。在本实施例中，云母属于层状硅酸盐材料，它的化学式为kmg3(alsi3o10)f2，由此可见它的元素组成相当复杂，利用上述的脉冲激光沉积法(pulsedlaserdeposition，pld)可以制备出多元化合物薄膜，其制备出的云母薄膜的成份能够与云母靶材成分基本保持一致。

尽管以上已经对本发明的各种优选实施方式和特征进行了描述，但在不脱离本发明的目的和宗旨的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明做出许多变化、补充、改变和删减。以上结合本发明的具体实施例做的详细描述，并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。