本发明属于半导体器件，具体涉及一种高阈值电压增强型金刚石高压场效应晶体管及其制备方法。
背景技术：
1、金刚石因其具有超宽禁带、高击穿电场、高本征迁移率、高热导率、高饱和速度、低介电常数等优异物理特性而被人们誉为“终极半导体”，其在功率电子器件和微波功率器件领域有着巨大的应用潜力。目前可以通过表面终端技术有效地改变金刚石表面的物理性质，其中，氢终端和硅终端是两种较为成熟的终端技术，可以用于制备p型沟道金刚石功率器件。通常，氢终端金刚石场效应晶体管(fet)表现为耗尽型，具有高击穿电压和大功率的特点，而硅终端金刚石fet表现为增强型，具有高阈值电压和高开关特性的特点。因此金刚石功率器件有望在与现有sic或gan基n型器件集成实现互补功率电路以及功率器件小型化等领域发挥关键作用。
2、在电力电子系统应用领域，从简化驱动电路设计、降低系统静态功耗、保证系统失效安全以及可适应大功率应用方面考虑，具有高阈值电压(vth)和高击穿电压(vbr)特性的增强型金刚石功率器件应用潜力极大。然而，氢终端金刚石fet难以满足高阈值电压(vth)的要求，硅终端金刚石fet虽然已实现增强型工作模式，但器件耐压能力较差，这些都限制了金刚石半导体在功率电子器件领域的应用。
3、氢终端金刚石p-fet通常表现为耗尽型，可以通过对氢终端金刚石p-fet的沟道或栅介质进行特殊处理，如在栅介质中引入固定正电荷、采用肖特基势垒调控栅极沟道以及将氢终端部分沟道改为氧终端等技术手段，使氢终端金刚石p-fet实现增强型，以满足金刚石功率器件常关特性的需求。通过在绝缘介质中引入固定正电荷和栅极采用肖特基势垒调控的技术手段实现的增强型氢终端金刚石p-fet难以获得高阈值电压vth，而通过将氢终端部分沟道改性的技术手段虽然可以使器件获得较高的阈值电压vth和击穿电压vbr，但是其改性后的金刚石表面结构质量严重下降，比如氧终端金刚石表面存在较多的界面态，离子注入会损伤金刚石晶格而产生缺陷，制约了沟道的载流子迁移率和器件的栅控能力。这些因素会导致器件导通电阻ron明显增高。因此，通过现有技术手段实现的增强型氢终端金刚石p-fet无法兼顾高阈值电压vth、高击穿电压vbr和低导通电阻ron的关键指标。而现有的增强型硅终端金刚石p-fet器件均采用叠栅结构，即栅极覆盖了整个源漏区域，这导致器件缺少漂移区结构，使得器件的耐压特性较差。
4、因此，将硅终端与氢终端金刚石二者的优势相结合成为一种可行的研究思路。具体地，就是利用氢终端金刚石作为器件的漂移区提高器件的耐压特性，利用硅终端金刚石作为栅控区获得高阈值电压增强型器件的工作特性。在此之前已有研究人员沿着这种思路进行器件的设计与开发工作。例如，申请号为“202110994144.3”，专利名称为“硅终端表面场效应晶体管及其制备方法”的中国专利申请，选择先在器件表面制备氢终端而后将源漏中间的钝化介质进行部分刻蚀，再沉积sio2后进行高温退火形成栅极下方的硅终端。然而，制备的氢终端的高温稳定性较差，其在高温环境下会发生脱落现象，因此先制备氢终端后高温退火制备硅终端的工艺流程会最终导致器件较难成功制备，且即使器件成功制备也会使得其导电特性严重降低。此外，在刻蚀部分钝化介质层时会不可避免地形成氧终端，这会使得在后续步骤形成的硅终端的密度不高，导致器件的阈值电压较低。
5、综上所述，现有技术方案的缺点已经严重阻碍了高性能金刚石高压功率器件的发展，迫切需要对器件结构和工艺进行创新改进。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高阈值电压增强型金刚石高压场效应晶体管及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
2、本发明提供了一种高阈值电压增强型金刚石高压场效应晶体管的制备方法，包括：
3、s1：选取金刚石衬底并在所述金刚石衬底上同质外延生长未掺杂的本征金刚石层；
4、s2：在所述本征金刚石层的上表面的源极区域和漏极区域生长重掺杂p型金刚石；
5、s3：对所述本征金刚石层和所述重掺杂p型金刚石的上表面进行氢化处理形成氢终端表面，并将所述氢终端表面转换为硅终端表面；
6、s4：刻蚀掉栅极区域以外的硅终端表面以形成氢终端表面，所述栅极区域位于所述源极区域与所述漏极区域之间；
7、s5：在所述氢终端表面和所述硅终端表面的上表面沉积钝化层并开设源极窗口和漏极窗口；
8、s6：在所述钝化层上表面的栅极区域制备栅极，在所述源极窗口和所述漏极窗口分别制备源极和漏极。
9、在本发明的一个实施例中，所述s1包括：
10、s1.1：选取金刚石衬底，所述金刚石衬底为ib型(001)取向的单晶金刚石衬底；
11、s1.2：在所述金刚石衬底上表面同质外延生长未掺杂的本征金刚石层；
12、s1.3：对所述本征金刚石层的上表面进行热混酸、有机清洗和uv-ozone处理，以在所述本征金刚石层上表面形成氧终端金刚石表面。
13、在本发明的一个实施例中，所述s2包括：
14、s2.1：在所述本征金刚石层的上表面制备ti/au金属掩膜，并在h2氛围中退火，使得金属ti与所述本征金刚石层的界面形成tic金属化合物，所述ti/au金属掩膜在源极区域和漏极区域包括预定形状的通孔；
15、s2.2：对所述源极区域和所述漏极区域ti/au金属掩膜下方的本征金刚石层表面进行干法刻蚀，形成刻蚀槽；
16、s2.4：在所述刻蚀槽内生长重掺杂p型金刚石，掺杂元素为硼，掺杂浓度为1×1020cm-3～5×1020cm-3。
17、在本发明的一个实施例中，所述s3包括：
18、s3.1：对样品进行氢等离子体处理，在所述本征金刚石层和所述重掺杂p型金刚石的上表面形成氢终端表面；
19、s3.2：将样品放入装备有si升华源的真空系统中，在300℃～600℃温度下加热预定时间以去除所述氢终端表面的吸附物；
20、s3.3：将温度恢复至室温，对si升华源通电加热以在所述本征金刚石层和所述重掺杂p型金刚石的上表面实现si的分子束沉积；
21、s3.4：沉积结束后，对样品进行原位真空退火，使得所述本征金刚石层和所述重掺杂p型金刚石表面的c-h键断裂，即氢原子脱落，进而金刚石表面的c原子与沉积的si反应成键形成c-si结构，随后将样品拿出真空系统，金刚石表面的c-si结构在空气环境中瞬间被氧气氧化形成c-si-o硅终端表面。
22、在本发明的一个实施例中，所述s4包括：
23、s4.1：在栅极区域制备sio2掩膜；
24、s4.2：采用氟基电感耦合等离子体反应离子刻蚀方法去除所述sio2掩膜未覆盖区域的硅终端表面；
25、s4.3：对样品进行氢等离子体处理，在所述sio2掩膜未覆盖区域形成氢终端表面；
26、s4.4：去除所述sio2掩膜，使得上表面同时存在所述硅终端表面和所述氢终端表面。
27、在本发明的一个实施例中，所述s5包括：
28、s5.1：利用光刻胶做掩膜，刻蚀掉金刚石上表面边缘预定宽度的所述硅终端表面和所述氢终端表面，以确定栅宽；
29、s5.2：在金刚石上表面沉积al2o3薄膜以形成钝化层；
30、s5.3：对所述al2o3薄膜进行湿法腐蚀开窗处理，形成源极窗口和漏极窗口，所述源极窗口位于源极区域，所述漏极窗口位于漏极区域，所述源极窗口和漏极窗口均向下延伸至所述重掺杂p型金刚石的氢终端表面。
31、本发明的另一方面提供了一种高阈值电压增强型金刚石高压场效应晶体管，包括金刚石衬底、非掺杂金刚石外延层、p型重硼掺杂金刚石、源极、漏极和栅极，其中，
32、所述非掺杂金刚石外延层设置在所述金刚石衬底的上表面，所述p型重硼掺杂金刚石设置在所述非掺杂金刚石外延层上表面的左右两侧；
33、所述p型重硼掺杂金刚石和所述金刚石衬底的上表面设置有氢终端表面，在所述氢终端表面的中部嵌入有硅终端表面，所述硅终端表面与所述金刚石衬底的上表面接触；
34、所述源极和所述漏极分别设置在两侧的所述p型重硼掺杂金刚石上，所述氢终端表面、硅终端表面和所述p型重硼掺杂金刚石的上表面设置有钝化层；
35、所述栅极设置在所述钝化层的上表面且位于硅终端表面的垂直上方。
36、在本发明的一个实施例中，所述硅终端表面的长度小于所述栅极的长度。
37、在本发明的一个实施例中，所述金刚石衬底为ib型取向单晶金刚石。
38、在本发明的一个实施例中，所述重掺杂p型金刚石的掺杂元素为硼，掺杂浓度为3×1020cm-3。
39、与现有技术相比，本发明的有益效果有：
40、1、本发明提出的高阈值电压增强型金刚石高压场效应晶体管为氢/硅复合终端金刚石p-fet器件，可以将氢终端表面的高p型电导率与硅终端表面的高mos界面质量的器件优势相结合，使得器件具有高阈值电压vth和低导通电阻ron的特性。
41、2、本发明提出的增强型金刚石高压场效应晶体管，将硅终端金刚石作为器件的主要栅控沟道，将氢终端金刚石作为器件的栅源接入区和栅漏漂移区结构，可以有效提高器件的耐压，使得器件具有高击穿电压vbr的特性。
42、3、本发明提出在制备氢终端表面前先制备硅终端表面，避免因高温退火导致的氢终端表面发生脱落的现象，可以有效提高制备的复合终端金刚石的导电性。
43、4、本发明提出在制备硅终端表面前先对金刚石进行氢化处理，此举可以消除金刚石表面的氧终端，随后又在真空环境下利用分子束沉积法制备硅终端表面，这使得制备器件的栅控沟道区域部分具有很高密度的硅终端，降低了器件c-si-o/al2o3结构的界面态密度，可以实现更高器件的阈值电压和更好的开关特性。
44、5、本发明成功制作出器件样品实例，并且测试结果显示器件满足高阈值电压vth和高击穿电压vbr的预期效果。
45、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
1.一种高阈值电压增强型金刚石高压场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的高阈值电压增强型金刚石高压场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述s1包括：
3.根据权利要求1所述的高阈值电压增强型金刚石高压场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述s2包括：
4.根据权利要求1所述的高阈值电压增强型金刚石高压场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述s3包括：
5.根据权利要求1所述的高阈值电压增强型金刚石高压场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述s4包括：
6.根据权利要求1所述的高阈值电压增强型金刚石高压场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述s5包括：
7.一种高阈值电压增强型金刚石高压场效应晶体管，其特征在于，利用权利要求1至6中任一项所述的制备方法制备，所述增强型金刚石高压场效应管包括金刚石衬底(1)、非掺杂金刚石外延层(2)、p型重硼掺杂金刚石(3)、源极(4)、漏极(5)和栅极(6)，其中，
8.根据权利要求7所述的高阈值电压增强型金刚石高压场效应晶体管，其特征在于，所述硅终端表面(9)的长度小于所述栅极(6)的长度。
9.根据权利要求7所述的高阈值电压增强型金刚石高压场效应晶体管，其特征在于，所述金刚石衬底(1)为ib型(001)取向单晶金刚石。
10.根据权利要求7所述的高阈值电压增强型金刚石高压场效应晶体管，其特征在于，所述重掺杂p型金刚石(3)的掺杂元素为硼，掺杂浓度为3×1020cm-3。
