一種帶有電極的新型金剛石薄膜/GaN異質結的制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種帶有電極的新型金剛石薄膜/GaN異質結的制備方法。屬于半導體器件材料制造工藝技術領域。本發明是在n型GaN襯底上采用微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)法制備一層p型納米金剛石(p-NCD)薄膜，從而制備出一個p-NCD/n-GaN的異質結結構器件。本發明的目的是提供一種低成本、高質量的p-NCD/n-GaN異質結制備方法。其特點在于，采用微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）法首次在n型GaN上制備了p型納米金剛石薄膜（p-NCD）形成異質結。所得到的器件具有制備方法簡單，成本小，很好的整流特性，適用于高頻電子器件，等優點。
【專利說明】
一種帶有電極的新型金剛石薄膜/GaN異質結的制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種帶有電極的新型金剛石薄膜/GaN異質結的制備方法。屬于半導體材料制造工藝技術領域。
【背景技術】
[0002]自20世紀50年代以來，以Si為代表的第一代半導體材料制造的各種電子器件，導致了以集成電路為核心的微電子工業快速的崛起和發展，促進了整個IT產業的騰飛，改善了人類的生活質量。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體材料制造的電子器件應運而生，由于它們屬于直接帶隙半導體材料，非常適合于制備發光二極管(LED)和半導體激光器(LD)。隨著時代的發展和科技的不斷進步，第一代半導體材料S1、Ge和第二代半導體材料GaAs、InP等已不能完全滿足人們生產和生活需要，寬禁帶(Eg>2.3eV)半導體材料，包括III族氮化物、ZnO、SiC等第三代半導體材料日益引起人們的重視。其中GaN基半導體材料是最為重要的一類寬禁帶直接帶隙半導體材料，GaN材料由于具有高電子漂移飽和速度、禁帶寬度大、導電性能良好、化學穩定性高等優點，已經在照明、導彈、雷達、通信、航空航天等領域得到了廣泛的應用，同時由于其具有抗福射、耐高溫等特點而使其更具有極大的發展空間和市場前景。
[0003]金剛石具有優異的綜合性能，在機械性能方面，它是世界上最堅硬的天然物質;在理化性能上，金剛石還具有優異的電學、熱學、聲學和光學等性能，因此在當今的高技術領域有著非常廣闊的應用前景。但是由于天然金剛石儲量稀少，高質量的金剛石價格又極其昂貴，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域的應用，因此人工合成技術一直是人們致力發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、低介電常數和高擊穿電壓的特性。金剛石的帶隙高達5.5eV，具有10、112Q.cm的電阻率，和高達lOMV/cm的介電強度，且介電常數很低，是理想的半導體材料。
[0004]在GaN基器件的第三代半導體被廣泛應用的今天，器件的工作頻率越來越高，且在器件工作的過程中，產生的熱量也越來越多，金剛石薄膜與GaN構成的異質結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特的優勢，其次來說，金剛石薄膜具有很高的熱導率，該復合結構可以有效的解決器件工作的熱管理問題。
[0005]本發明采用微波等離子體化學氣相沉積(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))薄膜形成異質結。MPCVD法制備得到的金剛石薄膜，具有純度高，生長速率快，晶粒尺寸可控等優點，這有利于降低成本，以及后期器件的制作。

【發明內容】

[0006]本發明是在n-GaN襯底上生長一層P型納米金剛石薄膜，制備p-NCD/n-GaN異質結。
[0007]本發明的目的是提供一種低成本、高質量的p-NCD/n-GaN異質結制備方法，為達到上述目的，本發明納米晶金剛石/GaN異質結的制備采用如下技術方案及步驟: 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，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，最后在重復上述步驟清洗一遍，然后用乙醇沖洗一遍，用氮氣槍吹干待用；
b.n-GaN襯底的預處理
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對襯底進行旋涂預處理;在6000轉/分的轉速下，對襯底滴7滴金剛石微粉溶液;處理結束后將襯底放入MPCVD裝置的反應室內；
c.用微波等離子體化學氣相沉積法制備納米金剛石薄膜
用真空栗對MPCVD反應室抽真空至1.4 X 10—2Torr,逐步增加反應室壓力，氫氣流速和微波功率直到反應室壓力為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，生長時間為3小時，同時在生長的過程中通入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 二層復合電極，在GaN上米用的是Ti/Al/Au二層復合電極;該復合電極通過電子束蒸發法沉積的；該設備沉積電極需要在高真空的環境下，反應前將反應室的真空度抽到10—7Pa數量級以下;在使用電子束蒸發的機器將復合電極的材料依次蒸發到樣品上，最后采用快速退火工藝對電極進行退火，退火溫度為350-500 °C，退火時間為20-45分鐘，最后制得帶有電極的納米金剛石薄膜/GaN異質結。
[0008]利用本方法制備出來的p-NCD/n-GaN異質結，具有很好的整流特性，該異質結的開啟電壓為1.1V，在±2V時，正向電流/反向電流大于103。
[0009]本發明的優點在于:
(I)本發明使用的為P-N⑶/n-GaN的雙層結構，器件的制備方法簡單，成本小，具有很好的整流特性。
[0010](2) GaN和NCD薄膜本身都是優良的半導體材料，適用于高頻電子器件，在未來的半導體應用方面具有無可比擬的優勢。
【附圖說明】
[0011 ]圖1是本發明的P-NCD/n-GaN異質結器件結構圖。
[0012]圖2是本發明的p-NCD/n-GaN異質結1-V特性曲線圖。
【具體實施方式】
[0013]下面給出本發明的較佳實施例，使能更好地理解本發明的過程。
實施例
[0014]本實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，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，最后在重復上述步驟清洗一遍，然后用乙醇沖洗一遍，用氮氣槍吹干待用;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對襯底進行旋涂預處理；在6000轉/分的轉速下共滴7滴金剛石微粉溶液;處理結束后將襯底放入MPCVD裝置的反應室內；
用真空栗對MPCVD反應室抽真空至1.4 X 10—2Torr,逐步增加反應室壓力，氫氣流速和微波功率直到設定值，在溫度大于700 °C的時候開通甲烷并逐步增加其流速到設定值，襯底溫度控制在850 °C，微波功率為3KW，生長時間為3小時;在生長的過程中通入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 二層復合電極，在GaN上米用的是Ti/Al/Au二層復合電極;該復合電極通過電子束蒸發法沉積的；該設備沉積電極需要在高真空的環境下，反應前將反應室的真空度抽到10—7Pa數量級以下;在使用電子束蒸發的機器將復合電極的材料依次蒸發到樣品上；最后采用快速退火工藝對電極進行退火，退火溫度為400 °C，退火時間為30分鐘;最后制得納米金剛石薄膜/GaN異質結。
[0016]3.有關本發明附圖的解釋說明
圖1為本發明所制備的P-NCD/n-GaN的器件結構圖，該圖給出了p-NCD/n-GaN異質結器件結構以及每一層所對應的電極，以及電極結構。
[0017]圖2為所制備的p-NCD/n-GaN異質結的1-V特性曲線圖，在該圖中我們可以看見很好的整流特性，該異質結的開啟電壓為1.1V，且在所測試的電壓區間內，沒有明顯的反向漏電流的存在。
【主權項】
1.一種帶有電極的新型金剛石薄膜/GaN異質結的制備方法，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，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，最后在重復上述步驟清洗一遍，然后用乙醇沖洗一遍，用氮氣槍吹干待用； n-GaN襯底的預處理 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對襯底進行旋涂預處理;在6000轉/分的轉速下，對襯底滴7滴金剛石微粉溶液;處理結束后將襯底放入MPCVD裝置的反應室內； 用微波等離子體化學氣相沉積法制備納米金剛石薄膜 用真空栗對MPCVD反應室抽真空至1.4 X 10—2Torr，逐步增加反應室壓力，氫氣流速和微波功率直到反應室壓力為45Torr;氫氣流速450 SCCMCStandard Cubic Centimeter perMinute，標準cm3/分鐘)，微波功率3.0Kff ；在溫度大于700弋的時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，生長時間為3小時；同時在生長的過程中通入.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二層復合電極，在GaN上米用的是Ti/Al/ Au 二層復合電極;該復合電極通過電子束蒸發法沉積的；該設備沉積電極需要在高真空的環境下，反應前將反應室的真空度抽到10—7Pa數量級以下;在使用電子束蒸發的機器將復合電極的材料依次蒸發到樣品上，最后采用快速退火工藝對電極進行退火，退火溫度為350-500 °C，退火時間為20-45分鐘，最后制得帶有電極的納米金剛石薄膜/GaN異質結。
【文檔編號】H01L29/165GK106024862SQ201610479524
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月28日
【發明人】王林軍, 楊蔚川, 黃健, 李倫娟, 任兵, 趙申潔
【申請人】上海大學