本发明属于半导体器件，具体涉及氢终端金刚石mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金属-氧化物-半导体场效应晶体管)/增强型氮化镓hemt单片集成的互补电路及制备方法。
背景技术：
1、近年来，为适应市场应用需求，半导体材料的更新换代不断加快：从以硅(si)、锗(ge)为代表的第一代半导体材料，到以砷化镓(gaas)为主的第二代半导体材料，再到目前应用较广泛的氮化镓(gan)、碳化硅(sic)等第三代半导体材料，朝着禁带宽度更大、应用场景更广泛的方向进步。近年来，禁带宽度更大的金刚石等超宽禁带半导体材料逐渐进入了大家的视野之中。
2、金刚石具有大的禁带宽度5.47ev，高击穿场强10mv/cm，高载流子迁移率，电子4500cm2/(v·s)，空穴3800cm2/(v·s)，高热导率22w/(cm·k)，比较适合应用于较为严苛的环境之中。研究发现，将经过氢等离子体处理的氢终端金刚石暴露在空气中一段时间，其表面会形成一层二维空穴气(2dhg)，表现为p型导电，空穴浓度一般在1012-1014cm-2，表面空穴迁移率在20-680cm2·v-1·s-1范围内，因此可用于制备高性能p型场效应晶体管。而氮化镓hemt(high electron mobility transistor，高电子迁移率)结构具有高电子迁移率，可用于制备高性能n型场效应晶体管，但是氮化镓材料热导率极低，只有130w/m·k，在实际应用中会由于热效应导致器件性能降低。
3、作为逻辑电路应用中的重要组成部分，cmos反相器(complementary metal-oxide-semiconductor，互补金属氧化物半导体反相器)的设计一直都是一个研究热点。在应用中，cmos反相器具有静态功耗小、输出摆幅大和抗干扰能力强等优点。然而金刚石自身难以实现制备cmos器件所需的n型器件的问题，需要采用新的材料体系和器件结构来解决目前金刚石面临的集成电路应用问题以及cmos器件面临的散热问题。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氢终端金刚石mosfet/增强型氮化镓hemt单片集成的互补电路及制备方法，利用氢终端表面的二维空穴气沟道和氮化镓的二维电子气沟道，分别实现p型导电沟道与n型导电沟道增强型晶体管，从而实现在金刚石/氮化镓异质集成的互补性电路。
2、本发明具体是通过如下技术方案来实现的。
3、本发明提供了一种氢终端金刚石mosfet/增强型氮化镓hemt单片集成的互补电路，其本质是一种cmos器件，包括金刚石衬底，所述金刚石衬底表面的一侧设置有中间层，所述中间层上设置有增强型氮化镓hemt结构；
4、所述金刚石衬底表面的另一侧设置有氢终端金刚石，在金刚石衬底上且在氢终端金刚石的两端分别设置有氧终端金刚石，所述氢终端金刚石表面的一侧设置有第二源电极，另一侧设置有第二漏电极，所述氢终端金刚石的表面设置有第二介质层，所述第二介质层上设置有第二栅电极，并且所述第二介质层与所述第二栅电极均位于所述第二源电极与所述第二漏电极之间；
5、氢终端金刚石作为p型导电沟道，所述氮化镓hemt结构作为n型导电沟道，载流子在p型导电沟道与n型导电沟道内迁移。
6、其中，所述增强型氮化镓hemt结构为凹槽栅型氮化镓hemt结构，或者所述增强型氮化镓hemt结构为p-gan栅结构氮化镓hemt结构。
7、在本发明优选的实施例中，当所述增强型氮化镓hemt结构为凹槽栅型氮化镓hemt结构时，所述凹槽栅型氮化镓hemt结构包括氮化镓hemt结构、钝化层、第一介质层、第一源电极、第一漏电极和第一栅电极，所述氮化镓hemt结构位于所述中间层上，所述氮化镓hemt结构表面开设有栅极凹槽，所述氮化镓hemt结构表面且位于栅极凹槽外侧设置有所述钝化层，所述钝化层和栅极凹槽表面设置有第一介质层，所述第一栅电极位于所述第一介质层上的栅极凹槽区域；所述氮化镓hemt结构表面的一侧设置有第一源电极，另一侧设置有第一漏电极，并且所述第一栅电极、第一介质层、所述钝化层均位于第一源电极和第一漏电极之间；所述第一漏电极和所述第二漏电极通过第一互连线进行金属互连，所述第一栅电极和所述第二栅电极通过第二互连线进行金属互连。
8、在本发明优选的实施例中，当所述增强型氮化镓hemt结构为p-gan栅结构氮化镓hemt结构时，所述p-gan栅结构氮化镓hemt结构包括氮化镓hemt结构，氮化镓hemt结构的表层配置为p-gan盖帽层，刻蚀或钝化氮化镓hemt结构表层除栅极区域之外的p-gan盖帽层，并在栅极区域形成p-gan层，所述p-gan层上设置有第一栅电极，在所述氮化镓hemt结构刻蚀或钝化区域两侧分别设置有第一源电极和第一漏电极，所述第一栅电极位于第一源电极和第一漏电极之间；所述第一漏电极和所述第二漏电极通过第一互连线进行金属互连，所述第一栅电极和所述第二栅电极通过第二互连线进行金属互连。
9、在本发明优选的实施例中，所述金刚石衬底的材料为高温高压(hpht)技术、气相外延cvd技术制备的同质或异质金刚石，包括单晶金刚石；
10、所述中间层材料包括但不限于非晶碳、sio2、aln、sinx、bn，厚度为5～200nm；
11、所述氮化镓hemt结构自下而上包括但不限于氮化镓或铝镓氮缓冲层、氮化镓沟道层、氮化铝间隔层、铝镓氮势垒层、氮化镓盖帽层；
12、所述钝化层的材料包括sinx、sio2，厚度为10～500nm；
13、所述第一源电极和第一漏电极的材料相同，包括自下而上的ti、al、ni和au，ti厚度为20nm，al厚度为150nm，ni厚度为30～40nm，au厚度为50～80nm；
14、所述第一介质层的材料包括sinx、sio2、al2o3，厚度为10～500nm；
15、所述第一栅电极的材料自下而上包括ni和au，ni厚度为30nm，au厚度为200nm；
16、所述氢终端金刚石的二维空穴气面密度(即p型导电沟道内面载流子浓度)为1×1012～5×1014cm-2，迁移率为20～2500cm2/(v·s)，所述氢终端金刚石的厚度为1～20nm；
17、所述第二源电极和第二漏电极的材料相同，包括au、pd、ir、pt、ti、ni中的一种或多种，厚度为50～500nm；
18、所述第二介质层的材料包括al2o3、tio2、moo3中的一种或多种，厚度为10～500nm；
19、所述第二栅电极的材料包括al、zr、hf、mo中的一种或多种，厚度为50～500nm。
20、当所述增强型氮化镓hemt结构为凹槽栅型氮化镓hemt结构时，上述氢终端金刚石mosfet/增强型氮化镓hemt单片集成的互补电路的制备方法，包括以下步骤：
21、步骤1，提供一样品，包括金刚石衬底、中间层和氮化镓hemt结构；
22、步骤2，利用刻蚀技术去除一侧的氮化镓hemt结构、中间层，直到露出金刚石衬底，同时形成氮化镓hemt器件台面结构，实现器件隔离；
23、步骤3，在样品表面沉积一层钝化层；
24、步骤4，利用光刻和刻蚀技术，去除氮化镓hemt结构源漏电极区域的钝化层，露出源漏电极区域，同时去除另一侧金刚石衬底上钝化层；
25、步骤5，利用沉积技术，在氮化镓hemt结构的源漏电极区域分别沉积第一源电极和第一漏电极欧姆接触，随后进行退火；
26、步骤6，利用光刻和刻蚀技术，刻蚀栅极区域下的钝化层和氮化镓hemt结构部分algan势垒层，形成栅极凹槽；
27、步骤7，在氮化镓hemt结构上沉积保护层，并在金刚石衬底另一侧进行氢化处理，形成氢终端金刚石，同时修复由于刻蚀受损的金刚石与铝镓氮晶格；
28、步骤8，利用光刻和沉积技术，在氢终端金刚石的两端沉积第二源电极、第二漏电极欧姆接触；
29、步骤9，对金刚石两侧的表面进行氧终端处理，形成氧终端金刚石，实现器件隔离；
30、步骤10，去除氮化镓hemt结构上的保护层，利用光刻和沉积技术，在钝化层和所述栅极凹槽表面沉积第一介质层，在氢终端金刚石上沉积第二介质层；
31、步骤11，利用光刻和沉积技术，在栅极凹槽区域上沉积第一栅电极；
32、步骤12，在第二介质层上第二源电极和第二漏电极中间区域沉积第二栅电极，同时在样品上沉积第一互连线和第二互连线，实现第一漏电极和第二漏电极通过第一互连线进行金属互连，第一栅电极和第二栅电极通过第二互连线进行金属互连。
33、在本发明优选的实施例中，步骤1中，金刚石衬底和氮化镓hemt结构的连接方式包括金刚石与氮化镓hemt结构的键合、单晶金刚石上外延氮化镓hemt结构或在氮化镓hemt结构上外延单晶金刚石。
34、在本发明优选的实施例中，步骤2、步骤4和步骤6中的刻蚀技术是利用电感耦合等离子体刻蚀，等离子体功率为50～1000w，速率为1～1000nm/min；
35、在本发明优选的实施例中，步骤5中，退火的条件：退火气氛为n2，退火温度为750℃～900℃，退火时间为25～180s；
36、在本发明优选的实施例中，步骤7中所述保护层材料为sio2或sinx，厚度为100～500nm；氢化处理使用mpcvd设备，h2流量为50～1000sccm，处理温度为500～900℃，处理时间为10s至2h；
37、在本发明优选的实施例中，步骤9中氧终端处理具体包括：使用紫外线或臭氧、氧等离子体处理金刚石表面，其中氧气或者臭氧的气体流量为1～100sccm，等离子体功率为30～300w，处理时间为1～60min。
38、在本发明优选的实施例中，步骤1～步骤12所涉及的沉积方式包括等离子体增强化学气相沉积(pecvd)、低压化学气相沉积(lpcvd)、原子层沉积(ald)、电子束蒸发或溅射；光刻技术包含紫外光刻、电子束光刻或步进式非接触光刻。
39、所述增强型氮化镓hemt结构为p-gan栅结构氮化镓hemt结构时，上述氢终端金刚石mosfet/增强型氮化镓hemt单片集成的互补电路的制备方法，包括以下步骤：
40、提供一样品，包括金刚石衬底、中间层和氮化镓hemt结构；金刚石衬底和氮化镓hemt结构的连接方式包括金刚石与氮化镓hemt结构的键合、单晶金刚石上外延氮化镓hemt结构或在氮化镓hemt结构上外延单晶金刚石；
41、利用刻蚀技术去除一侧的氮化镓hemt结构和中间层，直到露出金刚石衬底，同时形成氮化镓hemt器件台面结构，实现器件隔离；
42、利用刻蚀或等离子体处理技术，刻蚀或钝化氮化镓hemt结构表层部分p-gan盖帽层，只保留栅极区域的p-gan层；
43、利用光刻和沉积技术，在氮化镓hemt结构的两端沉积第一源电极和第一漏电极欧姆接触，随后进行退火；退火的条件：退火气氛为n2，退火温度为750℃～900℃，退火时间为25s～180s；
44、在氮化镓hemt结构上沉积保护层，并在金刚石衬底一侧进行氢化处理，形成氢终端金刚石，同时修复由于刻蚀受损的金刚石与铝镓氮晶格；所述保护层材料为sio2、sinx，厚度为100～500nm，氢化处理使用mpcvd设备，h2流量为50～1000sccm，处理温度为500～900℃，处理时间为10s至2h；
45、对金刚石两侧的表面进行氧终端处理，形成氧终端金刚石，实现器件隔离；氧终端处理具体包括：使用紫外线或臭氧、氧等离子体处理金刚石表面，其中氧气或者臭氧的气体流量为1～100sccm，等离子体功率为30～300w，处理时间为1～60min。
46、在氢终端金刚石上形成第二源电极、第二漏电极、第二介质层和第二栅电极；
47、利用光刻和沉积技术，在p-gan层上沉积第一栅电极，之后在样品上沉积第一互连线和第二互连线，实现第一漏电极和第二漏电极通过第一互连线进行金属互连，第一栅电极和第二栅电极通过第二互连线进行金属互连。
48、在本发明优选的实施例中，所涉及的沉积方式包括等离子体增强化学气相沉积、低压化学气相沉积、原子层沉积、电子束蒸发或溅射；光刻技术包含紫外光刻、电子束光刻或步进式非接触光刻。
49、本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
50、本发明的氢终端金刚石mosfet/增强型氮化镓hemt单片集成的互补电路，其本质是一种cmos器件，通过异质集成的方法将p型金刚石mosfet和n型增强型氮化镓hemt结构(包括凹槽栅型氮化镓hemt结构或p-gan栅结构氮化镓hemt结构)结合在一起制备逻辑互补电路，有效规避了金刚石难以实现n型器件、氮化镓难以实现p型器件的技术难题；金刚石/氮化镓的单片集成有利于减小器件体积，提高集成度，确保互补电路拥有高的开关速度和低损耗；金刚石热导率高，同时调制了氮化镓hemt的热产生场分布，提升器件散热能力，为高温cmos应用提供解决方案。
51、本发明的cmos器件利用p型金刚石mosfet和n型增强型氮化镓hemt结构的互补特性实现逻辑反转，通过控制输入信号实现对输出信号的控制。在数字系统设计、计算机处理器和通信电路中具有多种作用，包括逻辑门实现、时钟信号驱动、缓冲放大器、信号反相控制和数字信号处理等，促进了数字电路技术的发展，并为数字系统提供了高效、可靠的工作基础。
1.氢终端金刚石mosfet/增强型氮化镓hemt单片集成的互补电路，其特征在于，包括金刚石衬底(1)，所述金刚石衬底(1)表面的一侧设置有中间层(2)，所述中间层(2)上设置有增强型氮化镓hemt结构；
2.根据权利要求1所述的氢终端金刚石mosfet/增强型氮化镓hemt单片集成的互补电路，其特征在于，所述增强型氮化镓hemt结构为凹槽栅型氮化镓hemt结构，所述凹槽栅型氮化镓hemt结构包括氮化镓hemt结构(3)、钝化层(6)、第一介质层(9)、第一源电极(7)、第一漏电极(8)和第一栅电极(10)，所述氮化镓hemt结构(3)位于所述中间层(2)上，所述氮化镓hemt结构(3)表面开设有栅极凹槽，所述氮化镓hemt结构(3)表面且位于栅极凹槽外侧设置有所述钝化层(6)，所述钝化层(6)和栅极凹槽表面设置有第一介质层(9)，所述第一栅电极(10)位于所述第一介质层(9)上的栅极凹槽区域；所述氮化镓hemt结构(3)表面的一侧设置有第一源电极(7)，另一侧设置有第一漏电极(8)，并且所述第一栅电极(10)、第一介质层(9)、所述钝化层(6)均位于第一源电极(7)和第一漏电极(8)之间；所述第一漏电极(8)和所述第二漏电极(12)通过第一互连线(15)进行金属互连，所述第一栅电极(10)和所述第二栅电极(14)通过第二互连线(16)进行金属互连。
3.根据权利要求1所述的氢终端金刚石mosfet/增强型氮化镓hemt单片集成的互补电路，其特征在于，所述增强型氮化镓hemt结构为p-gan栅结构氮化镓hemt结构，所述p-gan栅结构氮化镓hemt结构包括氮化镓hemt结构(3)，氮化镓hemt结构(3)的表层配置为p-gan盖帽层，刻蚀或钝化氮化镓hemt结构(3)表层除栅极区域之外的p-gan盖帽层，在栅极区域形成p-gan层(17)，所述p-gan层(17)上设置有第一栅电极(10)，在所述氮化镓hemt结构(3)刻蚀或钝化区域两侧分别设置有第一源电极(7)和第一漏电极(8)，所述第一栅电极(10)位于第一源电极(7)和第一漏电极(8)之间；所述第一漏电极(8)和所述第二漏电极(12)通过第一互连线(15)进行金属互连，所述第一栅电极(10)和所述第二栅电极(14)通过第二互连线(16)进行金属互连。
4.根据权利要求2所述的氢终端金刚石mosfet/增强型氮化镓hemt单片集成的互补电路，其特征在于，所述金刚石衬底(1)为同质或异质金刚石；
5.根据权利要求2所述的氢终端金刚石mosfet/增强型氮化镓hemt单片集成的互补电路的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，金刚石衬底(1)和氮化镓hemt结构(3)的连接方式包括金刚石与氮化镓hemt结构的键合、单晶金刚石上外延氮化镓hemt结构或在氮化镓hemt结构上外延单晶金刚石。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2、步骤4和步骤6中的刻蚀技术是利用电感耦合等离子体刻蚀，等离子体功率为50～1000w，速率为1～1000nm/min；
8.根据权利要求3所述的氢终端金刚石mosfet/增强型氮化镓hemt单片集成的互补电路的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，金刚石衬底(1)和氮化镓hemt结构(3)的连接方式包括金刚石与氮化镓hemt结构的键合、单晶金刚石上外延氮化镓hemt结构或在氮化镓hemt结构上外延单晶金刚石；
10.根据权利要求5或8所述的制备方法，其特征在于，沉积方式包括等离子体增强化学气相沉积、低压化学气相沉积、原子层沉积、电子束蒸发或者溅射；光刻技术包含紫外光刻、电子束光刻或者步进式非接触光刻。
