一種帶有電極的新型金剛石薄膜/GaN異質(zhì)結(jié)的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種帶有電極的新型金剛石薄膜/GaN異質(zhì)結(jié)的制備方法。屬于半導(dǎo)體器件材料制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是在n型GaN襯底上采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)法制備一層p型納米金剛石(p-NCD)薄膜，從而制備出一個(gè)p-NCD/n-GaN的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件。本發(fā)明的目的是提供一種低成本、高質(zhì)量的p-NCD/n-GaN異質(zhì)結(jié)制備方法。其特點(diǎn)在于，采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）法首次在n型GaN上制備了p型納米金剛石薄膜（p-NCD）形成異質(zhì)結(jié)。所得到的器件具有制備方法簡(jiǎn)單，成本小，很好的整流特性，適用于高頻電子器件，等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種帶有電極的新型金剛石薄膜/GaN異質(zhì)結(jié)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種帶有電極的新型金剛石薄膜/GaN異質(zhì)結(jié)的制備方法。屬于半導(dǎo)體材料制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]自20世紀(jì)50年代以來，以Si為代表的第一代半導(dǎo)體材料制造的各種電子器件，導(dǎo)致了以集成電路為核心的微電子工業(yè)快速的崛起和發(fā)展，促進(jìn)了整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)的騰飛，改善了人類的生活質(zhì)量。為了滿足高頻、高增益、低噪聲的需要，以GaAs和InP為代表的第二代化合物半導(dǎo)體材料制造的電子器件應(yīng)運(yùn)而生，由于它們屬于直接帶隙半導(dǎo)體材料，非常適合于制備發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光器(LD)。隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，第一代半導(dǎo)體材料S1、Ge和第二代半導(dǎo)體材料GaAs、InP等已不能完全滿足人們生產(chǎn)和生活需要，寬禁帶(Eg>2.3eV)半導(dǎo)體材料，包括III族氮化物、ZnO、SiC等第三代半導(dǎo)體材料日益引起人們的重視。其中GaN基半導(dǎo)體材料是最為重要的一類寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，GaN材料由于具有高電子漂移飽和速度、禁帶寬度大、導(dǎo)電性能良好、化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在照明、導(dǎo)彈、雷達(dá)、通信、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)由于其具有抗福射、耐高溫等特點(diǎn)而使其更具有極大的發(fā)展空間和市場(chǎng)前景。
[0003]金剛石具有優(yōu)異的綜合性能，在機(jī)械性能方面，它是世界上最堅(jiān)硬的天然物質(zhì);在理化性能上，金剛石還具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)和光學(xué)等性能，因此在當(dāng)今的高技術(shù)領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。但是由于天然金剛石儲(chǔ)量稀少，高質(zhì)量的金剛石價(jià)格又極其昂貴，更為重要的是天然金剛石的尺寸都不大，這在很大程度上限制了金剛石在高科技領(lǐng)域的應(yīng)用，因此人工合成技術(shù)一直是人們致力發(fā)展的獲得金剛石的方法。金剛石具有寬禁帶、高載流子迀移率、低介電常數(shù)和高擊穿電壓的特性。金剛石的帶隙高達(dá)5.5eV，具有10、112Q.cm的電阻率，和高達(dá)lOMV/cm的介電強(qiáng)度，且介電常數(shù)很低，是理想的半導(dǎo)體材料。
[0004]在GaN基器件的第三代半導(dǎo)體被廣泛應(yīng)用的今天，器件的工作頻率越來越高，且在器件工作的過程中，產(chǎn)生的熱量也越來越多，金剛石薄膜與GaN構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)器件非常適合用于高溫高功率的條件，首先，GaN基器件工作在高頻條件下具有其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其次來說，金剛石薄膜具有很高的熱導(dǎo)率，該復(fù)合結(jié)構(gòu)可以有效的解決器件工作的熱管理問題。
[0005]本發(fā)明采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)法首次在η型GaN上制備了P型納米金剛石(p_type Nano-crystalline diamond，p_NO))薄膜形成異質(zhì)結(jié)。MPCVD法制備得到的金剛石薄膜，具有純度高，生長(zhǎng)速率快，晶粒尺寸可控等優(yōu)點(diǎn)，這有利于降低成本，以及后期器件的制作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是在n-GaN襯底上生長(zhǎng)一層P型納米金剛石薄膜，制備p-NCD/n-GaN異質(zhì)結(jié)。
[0007]本發(fā)明的目的是提供一種低成本、高質(zhì)量的p-NCD/n-GaN異質(zhì)結(jié)制備方法，為達(dá)到上述目的，本發(fā)明納米晶金剛石/GaN異質(zhì)結(jié)的制備采用如下技術(shù)方案及步驟: a.n-GaN襯底的清洗
在納米金剛石薄膜制備中，采用(111)擇優(yōu)取向的n-GaN作為沉積金剛石的襯底;在丙酮中超聲清洗5-10分鐘，用來去除表面的雜質(zhì)，在用乙醇超聲清洗5-10分鐘，去除上一步清洗過程中殘留的丙酮，最后在重復(fù)上述步驟清洗一遍，然后用乙醇沖洗一遍，用氮?dú)鈽尨蹈纱茫?br> b.n-GaN襯底的預(yù)處理
為了增加金剛石薄膜的成核密度，使用1-1OOnm粒徑的金剛石微粉溶液并利用勻膠機(jī)對(duì)襯底進(jìn)行旋涂預(yù)處理;在6000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下，對(duì)襯底滴7滴金剛石微粉溶液;處理結(jié)束后將襯底放入MPCVD裝置的反應(yīng)室內(nèi)；
c.用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法制備納米金剛石薄膜
用真空栗對(duì)MPCVD反應(yīng)室抽真空至1.4 X 10—2Torr,逐步增加反應(yīng)室壓力，氫氣流速和微波功率直到反應(yīng)室壓力為45Torr;氫氣流速450SCCM，微波功率3.0KW;在溫度大于700 °C的時(shí)候開通甲烷并逐步增加其流速到40SCCM;襯底溫度控制在750-1050 °C，生長(zhǎng)時(shí)間為3小時(shí)，同時(shí)在生長(zhǎng)的過程中通入10SCCM硼烷氣體，用來在納米金剛石薄膜制備的過程中形成替位式雜質(zhì)硼，使在n-GaN襯底上直接沉積得到硼摻雜的P型納米金剛石薄膜；
d.利用電子束蒸發(fā)法在樣品上制備電極；
在金剛石薄膜上米用的是Ti/Pt/Au 二層復(fù)合電極，在GaN上米用的是Ti/Al/Au二層復(fù)合電極;該復(fù)合電極通過電子束蒸發(fā)法沉積的；該設(shè)備沉積電極需要在高真空的環(huán)境下，反應(yīng)前將反應(yīng)室的真空度抽到10—7Pa數(shù)量級(jí)以下;在使用電子束蒸發(fā)的機(jī)器將復(fù)合電極的材料依次蒸發(fā)到樣品上，最后采用快速退火工藝對(duì)電極進(jìn)行退火，退火溫度為350-500 °C，退火時(shí)間為20-45分鐘，最后制得帶有電極的納米金剛石薄膜/GaN異質(zhì)結(jié)。
[0008]利用本方法制備出來的p-NCD/n-GaN異質(zhì)結(jié)，具有很好的整流特性，該異質(zhì)結(jié)的開啟電壓為1.1V，在±2V時(shí)，正向電流/反向電流大于103。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
(I)本發(fā)明使用的為P-N⑶/n-GaN的雙層結(jié)構(gòu)，器件的制備方法簡(jiǎn)單，成本小，具有很好的整流特性。
[0010](2) GaN和NCD薄膜本身都是優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，適用于高頻電子器件，在未來的半導(dǎo)體應(yīng)用方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。
【附圖說明】
[0011 ]圖1是本發(fā)明的P-NCD/n-GaN異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2是本發(fā)明的p-NCD/n-GaN異質(zhì)結(jié)1-V特性曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面給出本發(fā)明的較佳實(shí)施例，使能更好地理解本發(fā)明的過程。
實(shí)施例
[0014]本實(shí)施例中制備過程和步驟如下所述
1.納米金剛石薄膜的制備采用(111)擇優(yōu)取向的n-GaN作為沉積金剛石的襯底;在丙酮中超聲清洗8分鐘，用來去除表面的雜質(zhì)，在用乙醇超聲清洗8分鐘，去除上一步清洗過程中殘留的丙酮，最后在重復(fù)上述步驟清洗一遍，然后用乙醇沖洗一遍，用氮?dú)鈽尨蹈纱?為了增加金剛石薄膜的成核密度，使用平均為1nm粒徑的金剛石微粉溶液并利用勻膠機(jī)對(duì)襯底進(jìn)行旋涂預(yù)處理；在6000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下共滴7滴金剛石微粉溶液;處理結(jié)束后將襯底放入MPCVD裝置的反應(yīng)室內(nèi)；
用真空栗對(duì)MPCVD反應(yīng)室抽真空至1.4 X 10—2Torr,逐步增加反應(yīng)室壓力，氫氣流速和微波功率直到設(shè)定值，在溫度大于700 °C的時(shí)候開通甲烷并逐步增加其流速到設(shè)定值，襯底溫度控制在850 °C，微波功率為3KW，生長(zhǎng)時(shí)間為3小時(shí);在生長(zhǎng)的過程中通入10SCCM硼烷氣體，使在η-GaN襯底上直接沉積得到硼摻雜的金剛石薄膜。
[0015]2.然后利用電子束蒸發(fā)法在樣品上制備電極；
在金剛石薄膜上米用的是Ti/Pt/Au 二層復(fù)合電極，在GaN上米用的是Ti/Al/Au二層復(fù)合電極;該復(fù)合電極通過電子束蒸發(fā)法沉積的；該設(shè)備沉積電極需要在高真空的環(huán)境下，反應(yīng)前將反應(yīng)室的真空度抽到10—7Pa數(shù)量級(jí)以下;在使用電子束蒸發(fā)的機(jī)器將復(fù)合電極的材料依次蒸發(fā)到樣品上；最后采用快速退火工藝對(duì)電極進(jìn)行退火，退火溫度為400 °C，退火時(shí)間為30分鐘;最后制得納米金剛石薄膜/GaN異質(zhì)結(jié)。
[0016]3.有關(guān)本發(fā)明附圖的解釋說明
圖1為本發(fā)明所制備的P-NCD/n-GaN的器件結(jié)構(gòu)圖，該圖給出了p-NCD/n-GaN異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)以及每一層所對(duì)應(yīng)的電極，以及電極結(jié)構(gòu)。
[0017]圖2為所制備的p-NCD/n-GaN異質(zhì)結(jié)的1-V特性曲線圖，在該圖中我們可以看見很好的整流特性，該異質(zhì)結(jié)的開啟電壓為1.1V，且在所測(cè)試的電壓區(qū)間內(nèi)，沒有明顯的反向漏電流的存在。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種帶有電極的新型金剛石薄膜/GaN異質(zhì)結(jié)的制備方法，其特征在于具有以下制備過程和步驟: n-GaN襯底的清洗 在納米金剛石薄膜制備中，采用(111)擇優(yōu)取向的n-GaN作為沉積金剛石的襯底;在丙酮中超聲清洗5-10分鐘，用來去除表面的雜質(zhì)，在用乙醇超聲清洗5-10分鐘，去除上一步清洗過程中殘留的丙酮，最后在重復(fù)上述步驟清洗一遍，然后用乙醇沖洗一遍，用氮?dú)鈽尨蹈纱茫? n-GaN襯底的預(yù)處理 為了增加金剛石薄膜的成核密度，使用1-1OOnm粒徑的金剛石微粉溶液并利用勻膠機(jī)對(duì)襯底進(jìn)行旋涂預(yù)處理;在6000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下，對(duì)襯底滴7滴金剛石微粉溶液;處理結(jié)束后將襯底放入MPCVD裝置的反應(yīng)室內(nèi)； 用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法制備納米金剛石薄膜 用真空栗對(duì)MPCVD反應(yīng)室抽真空至1.4 X 10—2Torr，逐步增加反應(yīng)室壓力，氫氣流速和微波功率直到反應(yīng)室壓力為45Torr;氫氣流速450 SCCMCStandard Cubic Centimeter perMinute，標(biāo)準(zhǔn)cm3/分鐘)，微波功率3.0Kff ；在溫度大于700弋的時(shí)候開通甲烷并逐步增加其流速到40SCCM;襯底溫度控制在750-1050 °C，生長(zhǎng)時(shí)間為3小時(shí)；同時(shí)在生長(zhǎng)的過程中通入.10 SCCM硼烷氣體，用來在納米金剛石薄膜制備的過程中形成替位式雜質(zhì)硼，使在n-GaN襯底上直接沉積得到硼摻雜的P型納米金剛石(p-type Nano-crystalline diamond, p-NCD)薄膜； 然后利用電子束蒸發(fā)法在樣品上制備電極； 在金剛石薄膜上米用的是T i/Pt/Au二層復(fù)合電極，在GaN上米用的是Ti/Al/ Au 二層復(fù)合電極;該復(fù)合電極通過電子束蒸發(fā)法沉積的；該設(shè)備沉積電極需要在高真空的環(huán)境下，反應(yīng)前將反應(yīng)室的真空度抽到10—7Pa數(shù)量級(jí)以下;在使用電子束蒸發(fā)的機(jī)器將復(fù)合電極的材料依次蒸發(fā)到樣品上，最后采用快速退火工藝對(duì)電極進(jìn)行退火，退火溫度為350-500 °C，退火時(shí)間為20-45分鐘，最后制得帶有電極的納米金剛石薄膜/GaN異質(zhì)結(jié)。
【文檔編號(hào)】H01L29/165GK106024862SQ201610479524
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月28日
【發(fā)明人】王林軍, 楊蔚川, 黃健, 李倫娟, 任兵, 趙申潔
【申請(qǐng)人】上海大學(xué)