本发明涉及一种场效应晶体管，尤其涉及一种低功耗氮化镓基负电容场效应晶体管及制备方法。
背景技术：
第三代半导体材料具有带隙宽度大、耐压能力高的优点，引起了研究学者的浓厚兴趣，可广泛应用于高温、高频、大功率电子器件。作为第三代宽禁带半导体的代表，iii-v族化合物半导体材料氮化镓(gan)具有许多优良的物理化学性能。在常温下其禁带宽度为3.4ev，原子间结合力强、化学性质稳定，临界击穿电场大、饱和电子迁移率高和耐温性能良好，作为高频高功率器件广泛应用于航天航空、雷达通信、汽车电子等军用和民用领域。
在gan基电子器件中，高电子迁移率晶体管(hemt)是应用于高频大功率场合最主要的器件，是目前高性能半导体电子器件的研究热点。这种晶体管工作原理是依靠algan/gan异质结特有的压电效应与自发极化两种效应所产生的内建极化电场，在algan/gan界面靠近gan侧感生出的高浓度二维电子气(2deg)，进而形成导电沟道。
随着gan基纳米电子器件尺寸的不断缩小以及集成电子器件的发展，器件功耗成为限制器件发展应用的重要影响因素。在器件功耗中，影响最大的因素是器件的亚阈值斜率(ss)，它决定器件的开关速度。因此，迫切需要研究一种独特的器件结构来降低gan基器件的ss，提高器件的开关速度，从而降低器件的功耗。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种新型结构的低功耗氮化镓基负电容场效应晶体管及制备方法。
为达到上述目的，本发明提供的低功耗氮化镓基负电容场效应晶体管，包括：
gan基底；
位于所述gan基底上两端的源电极和漏电极；
位于所述gan基底上表面源极和漏极之间的高k介质层；
位于高k介质层上的铁电聚合物层；
位于铁电聚合物层上的顶栅电极。
作为一种具体实施方式，上述gan基底依次包括衬底、aln成核层、gan缓冲层、aln插入层、algan势垒层。
作为优选，上述源电极和上述漏电极均为多层金属堆叠的层电极，所述多层金属堆叠的层电极从下至上依次包括ti金属层、al金属层、ni金属层、au金属层。
作为优选，上述高k介质层为hfo2介质层、zro2介质层或al2o3介质层。
作为优选，上述铁电聚合物层为p(vdf-trfe)铁电聚合物层(聚偏氟乙烯基铁电聚合物层)。
作为优选，上述顶栅电极为多层金属堆叠的层电极。所述多层金属堆叠的层电极包括cr金属层、以及形成于cr金属层上的au金属层。
本发明提供的低功耗氮化镓基负电容场效应晶体管的制备方法，包括：
在gan基底上表面的两端分别形成源电极和漏电极；
在形成了源电极和漏电极的gan基底上表面制作与顶栅电极图形对应的光刻胶图形；
以光刻胶图形为掩膜，在gan基底上表面依次形成高k介质层、铁电聚合物层、顶栅电极；
剥离掉光刻胶图形。
作为优选，在gan基底上表面形成铁电聚合物层，包括：
在高k介质层上旋涂铁电聚合物层，并于110℃～130℃温度下退火0.5h～2h。
本发明结合铁电聚合物材料和algan/gan异质结，制备成具有顶栅结构的氮化镓基负电容场效应晶体管，利用铁电聚合物材料在极化过程中产生的负电容效应，以及铁电聚合物材料、高k介质材料和algan/gan异质结三者之间的电容匹配，进而获得了一个稳定的低功耗氮化镓基负电容场效应晶体管，并显著降低了器件的亚阈值斜率(ss)，大幅提高了器件的开关速度，从而显著降低了器件的功耗。
场效应晶体管的亚阈值斜率ss，其是晶体管转移特性曲线线性区域中，源漏电流增大一个数量级时所需的栅电压变化量，ss的计算如下：
式(1)中，vgs表示外加栅电压，ids表示沟道源漏电流，ψs表示半导体表面电势，cs表示半导体电容，cins表示栅介质电容，k表示玻尔兹曼常数，t表示温度，q为电子电荷。
由于晶体管沟道中的电子服从玻尔兹曼分布，室温下，传统晶体管ss的理论最小值为60mv/dec。在氮化镓基场效应晶体管中引入铁电聚合物材料，利用铁电聚合物材料极化转变中出现的负微分电容现象，即cins＜0，使半导体表面电势的变化快于外加栅电压的变化，即产生电压放大效应，可使ss突破理论极限，从而可提高栅电极对晶体管沟道的控制能力。
由于负电容效应是一种短暂且不稳定的现象，所以在铁电聚合物材料和gan基底之间引入高k介质层，利用铁电聚合物材料、高k介质材料和algan/gan异质结三者之间的电容匹配，形成一个负电容栅极堆叠结构，使器件总电容大于零，整个半导体体系达到稳定。随着传统金属氧化物半导体场效应晶体管器件尺寸的不断缩小，器件中氧化层的厚度也需要减小以保持栅控能力不变。但传统sio2介质层在其厚度减小的同时，会使器件栅极漏电流增大，进而增大器件功耗。所以，采用高k介质(高介电常数介质)替代sio2，在保持栅控能力不变的条件下，高k介质厚度可以更大，从而在一定程度上抑制栅极漏电流，进而抑制器件功耗的增大。
综合上述，本发明的有益效果可概括如下：
(1)可获得稳定的场效应晶体管，并显著降低了器件的亚阈值斜率(ss)，大幅提高了器件的开关速度，显著降低了器件的功耗。
(2)常温下，源漏偏压100mv的情况下，所获得的场效应晶体管的ss值为38.1mv/dec，明显低于ss的理论极限值60mv/dec。
附图说明
图1是实施例中低功耗氮化镓基负电容场效应晶体管的结构示意图，其中，1-sic衬底，2-aln成核层，3-gan缓冲层，4-aln插入层，5-algan势垒层，6a-源电极，6b-漏电极，7-高k介质层，8-铁电聚合物层，9-顶栅电极；
图2为实施例所得场效应晶体管在不同源漏偏压下的转移特性曲线；
图3为实施例所得场效应晶体管在不同源漏偏压下的亚阈值斜率；
图4为实施例所得场效应晶体管在源漏电压为100mv时亚阈值斜率随源漏沟道电流的变化；
图5为实施例所得场效应晶体管的输出特性曲线。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明实施例。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，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，并获得其他的实施方式。
实施例
本实施例的低功耗氮化镓基负电容场效应晶体管的制备工艺如下：
(1)提供gan基底：
现有的gan基底均适应本发明，为便于理解，下面将提供一种具体的gan基底以及具体制作过程：
在sic衬底上依次生长厚度为100nm的aln成核层、厚度为1.5μm的gan缓冲层、厚度为1nm的aln插入层、厚度为16nm～22nm的algan势垒层。
(2)制作源电极和漏电极：
在gan基底的algan势垒层上两端沉积源电极和漏电极，更具体的，利用紫外光刻法，在gan基底上两端沉积源电极和漏电极。本实施例中，源电极和漏电极均为采用热蒸镀法沉积的多层金属堆叠的层电极，更具体的，该多层金属堆叠的层电极从下至上依次包括ti金属层、al金属层、ni金属层、au金属层。将沉积了源电极和漏电极的gan基底在n2气氛、800℃条件下快速热退火30s，形成欧姆接触电极。
(3)制作光刻胶图形：
利用电子束曝光法，在制作了源电极和漏电极的gan基底上表面形成与顶栅电极图形对应的光刻胶图形。更具体的，形成光刻胶图形的步骤，包括：首先，在制作了源电极和漏电极的gan基底上表面旋涂光刻胶mma和pmma，并烘干；接着，利用电子束曝光法，将顶栅电极图形转移到光刻胶上；最后，利用显影液去除相应部位的光刻胶，形成光刻胶图形。本实施例中，光刻胶图形为一长3μm～100μm、宽100μm～200μm的胶坑。
(4)制作高k介质层：
以光刻胶图形为掩膜，利用原子层沉积法，在95℃～200℃的温度下，在gan基底上沉积厚度为4nm～6nm的hfo2介质层。更具体的，沉积hfo2介质层的步骤，包括：使tdmah(四(二甲氨基)铪)前体源保持80℃，使水前体保持室温；以高纯n2为载体和保护气体，将tdmah前体源和水前体运输至反应腔室进行反应，以生成hfo2介质层。本实施例中，每一个生长循环，hfo2介质层的生长厚度为
一个生长循环包括：首先，n2将水前体持续运输至反应腔室100s～120s，之后停止运输水前体；接着，n2将tdmah前体源持续运输至反应腔室100s～120s，之后停止运输tdmah前体源。
(5)制作铁电聚合物层：
本实施例中，采用旋涂法在高k介质层上制作出厚度是60nm～100nm的铁电聚合物层，所制作的铁电聚合物层为聚偏氟乙烯基(p(vdf-trfe))铁电聚合物层。更具体的，采用匀胶机，将聚偏氟乙烯基铁电聚合物溶液旋涂于高k介质层上，获得p(vdf-trfe)铁电聚合物层；并于110℃～130℃温度下退火0.5h～2h，以去除残留的溶剂，并改善铁电聚合物层的结晶性。
(6)制作顶栅电极：
本实施例中，利用热蒸镀法在铁电聚合物层上沉积多层金属堆叠的顶电极，更具体的，利用热蒸镀法在铁电聚合物层上依次沉积厚度为10nm的cr金属层、厚度为15nm的au金属层。
(7)剥离光刻胶图形：
在醋酸中剥离光刻胶图形，即剥离掉胶坑外沉积的高k介质层、铁电聚合物层和cr/au金属层，即获得最终的负电容场效应晶体管。
参见图1，示出了本实施例所获负电容场效应晶体管的结构，包括sic衬底1，sic衬底1上依次生长有aln成核层2、gan缓冲层3、aln插入层4、algan势垒层5，algan势垒层5两端制作有源电极6a和漏电极6b，源电极6a和漏电极6b之间的沟道内依次生长有高k介质层7、铁电聚合物层8、顶栅电极9。
本实施例仅给出了本发明的一种示范，尤其是，高k介质层和铁电聚合物层的成分及厚度并不受实施例所限，高k介质层和铁电聚合物层的成分和厚度的选择，应满足电容匹配要求。电容匹配要求指cscox/(cs+cox)＜|cfe|＜cox，其中，cox表示高k介质层的电容，cfe表示铁电聚合物层的电容。
参见图2～3，分别为实施例所得负电容场效应晶体管在不同源漏偏压下的转移特性曲线和亚阈值斜率，其中，图3对应的是栅极电压由负扫到正时的转移特性曲线。器件栅极电压扫描的速度为1v/s，每个扫描点的间隔为10mv。常温下，在源漏偏压vd＝100mv条件下，器件亚阈值斜率ss为38.1mv/dec，成功突破了60mv/dec的理论极限。这是由于铁电聚合物材料的极化转变中出现的负微分电容现象，使半导体表面势的变化快于外加栅极电压的变化，即电压放大效应，使ss突破理论极限。
参见图4，所示为实施例所得负电容场效应晶体管在源漏电压为100mv时亚阈值斜率ss随源漏电流的变化，该图也进一步证明了本发明成功降低了场效应晶体管在室温下的亚阈值斜率。
参见图5，所示为实施例所得负电容场效应晶体管的输出特性曲线，栅极电压由-10v扫描到5v，扫描漏极电压由0v扫到1v，在漏极电压1v时，源漏电流为32ma/mm。
上述实施例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。