CN101303973A

CN101303973A - 一种n-ZnO/p-自支撑金刚石薄膜异质结的制备方法

Info

Publication number: CN101303973A
Application number: CNA2008100400456A
Authority: CN
Inventors: 王林军; 黄健; 唐可; 赖建明; 管玉兰; 夏义本
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2008-11-12

Abstract

本发明涉及一种n－ZnO/p－自支撑金刚石薄膜异质结的制备方法，该方法主要步骤：硅衬底预处理后放入微波等离子体化学气相沉积装置的反应室内作为沉积衬底；在甲烷与氢气的混合反应气体中进行金刚石薄膜成核、生长，然后用HNO₃与HF的混合溶液浸泡腐蚀掉硅衬底形成自支撑金刚石薄膜；自支撑金刚石薄膜p型化处理；用磁控溅射仪及高纯ZnO陶瓷溅射靶材，在氩气气氛中溅射，即得n－ZnO/p－自支撑金刚石薄膜异质结。本发明不需抛光处理就可以直接进行ZnO/金刚石异质结的生长，简化了制作工艺，降低了成本，有利于促进ZnO/金刚石异质结器件的大规模应用。

Description

一种n-ZnO/p-自支撑金刚石薄膜异质结的制备方法

技术领域

本发明涉及一种在p型未掺杂自支撑金刚石薄膜上生长n型ZnO薄膜制备异质结的方法，属于无机非金属材料器件制造工艺领域。

背景技术

21世纪，光电子技术将在高度信息化社会起到越来越重要的作用，光子集成和光电子集成技术对器件的功率、频率、工作温度等提出了更高的要求。传统的硅器件，在高频、大功率领域越来越显示其局限性，且不适宜于高辐射及化学环境恶劣等条件。而金刚石因具有一系列优异的性能，引起微电子技术、光电子技术等领域的广泛关注，成为新材料研究的热点之一。

金刚石半导体的禁带宽度、临界击穿电场强度、载流子的饱和漂移速率以及迁移率都很大，介电常数非常小，因此，用金刚石材料制作半导体器件，比其它半导体器件具有显著的优越性能。这些性能包括开态电阻、结的泄漏造成的功率损耗、热导、耐辐射强度、高频特性和高温特性。用峰值雪崩击穿电场强度作为临界参数，评价半导体材料在高功率电子应用中的特性。计算表明，金刚石的开态电阻比硅高几个数量级，最大工作频率高20倍，潜在工作温度达600℃以上。因此金刚石半导体器件可以应用于硅和砷化镓半导体器件无法应用的高温、高电压、强辐射等环境中。

20世纪90年代以前，因为天然及人工合成金刚石昂贵的价格限制了金刚石作为半导体器件材料的应用范围。近一二十年来，随着化学气相沉积(CVD)法合成金刚石薄膜技术和p型掺杂技术取得突破性进展，使人们大规模利用金刚石的愿望得以实现。基于金刚石薄膜的电子器件必将在高温、高速、高功率和高辐射等硅器件无法应用的场合发挥不可替代的作用。

目前金刚石薄膜p型掺杂的研究已取得一些成果，主要是通过硼掺杂来实现。但是还不能进行有效的n型掺杂，因此不能制作金刚石的pn结。这大大限制了金刚石薄膜在半导体器件方面的广泛应用。目前金刚石薄膜除了制作无源半导体器件外，只能制作肖特基二极管和场效应晶体管器件。正因为金刚石同质结的制备极端困难，近年来人们一直在寻找合适的异质结来实现金刚石的应用。而ZnO薄膜具有天然的n型导电、宽禁带，以及较高的热稳定性和化学稳定性、外延生长温度低、成本低、容易刻蚀而使后继工艺更方便等特点，成为与p型金刚石组成异质结的合适材料。

目前国内外ZnO/金刚石薄膜异质结的研究主要采用n型ZnO和p型硼掺杂同质外延单晶或异质外延多晶金刚石搭配。这种结构有二个共同的缺点，第一就是制备成本太高，单晶价格昂贵，多晶金刚石膜需要对粗糙表面进行抛光处理，这是一个极费时费力费钱的过程，也会增加制作成本。第二，由于硼受主激活能较大(370meV)，甚至在高温下也不能完全激活，不利于器件工作。本发明提出在p型未掺杂自支撑金刚石薄膜上生长高质量ZnO来制备异质结，很好的解决了以上问题，有望促进金刚石薄膜异质结的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种n-ZnO/p-自支撑金刚石薄膜异质结的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种n-ZnO/p-自支撑金刚石薄膜异质结的制备方法，其特征在于该工艺具有以下的过程和步骤：

1)硅衬底预处理：采用(100)镜面抛光硅片作为沉积衬底，采用HF酸超声清洗5～15分钟，以去除表面的氧化硅层；为了增加纳米金刚石薄膜的成核密度，使用100nm粒径的金刚石粉术对硅衬底机械研磨10～15分钟；将研磨后的硅片在混有100nm金刚石粉的丙酮溶液中超声清洗10～20分钟，最后再将硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗，直至硅片表面洁净，烘干后放入微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置的反应室内；

2)金刚石薄膜成核过程：先用真空泵对反应室抽真空至5～7Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至10^-2Pa以下，通入反应气体(甲烷与氢气的混合气体)，调节甲烷和氢气的流量分别为40～60标准毫升/分和120～160标准毫升/分；反应室的气压设定为0.5～1kPa，衬底偏压设定为50～150V，衬底温度控制在620～680℃，微波功率设定为1200～1600W，薄膜成核时间0.5～1小时；

3)金刚石薄膜生长过程：成核完成后，调节甲烷和氢气的流量分别为40～60标准毫升/分和150～200标准毫升/分；反应室的气压设定为4～5kPa，衬底温度控制在700～750℃，微波功率设定为1600～2000W，薄膜生长时间60～100小时：

4)自支撑金刚石薄膜制备过程：将生长好的金刚石薄膜放入HNO₃+HF(HNO₃∶HF＝1∶3，摩尔比)的混合溶液中浸泡6～8小时，硅衬底被完全腐蚀掉后即可获得表面(成核面)非常光滑的自支撑金刚石薄膜；

5)自支撑金刚石薄膜p型化处理过程：将自支撑金刚石薄膜放入微波等离子体化学气相沉积装置的反应室内，薄膜光滑的成核面朝上，用真空泵对反应室抽真空至5～7Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至10^-2Pa以下，通入氢气，调节氢气的流量120～160标准毫升/分；反应室的气压设定为2～3kPa，微波功率设定为1200～1600W，处理时间1～3小时；

6)异质结的制备过程：将p型自支撑金刚石薄膜放入磁控溅射仪的样品台上，溅射靶材为高纯ZnO陶瓷靶；先用真空泵对溅射室抽真空至5Pa以下，然后用分子泵对反应室抽真空至10^-2Pa以下，通入氩气，调节流量为30～60标准毫升/分，调节反应气压为0.2～0.5Pa，溅射功率100～500W，溅射时间0.5～2小时。

本发明是在p型未掺杂自支撑金刚石薄膜上生长n型ZnO组成异质结。其主要特征在于采用了表面高度光滑的自支撑金刚石薄膜作为异质结的p型材料，自支撑金刚石薄膜的p型不是通过掺杂获得，而是采用氢等离子刻蚀的方法获得H终端p型金刚石层。

本发明同其它ZnO/金刚石薄膜异质结相比，具有如下显著优点：

(1)本发明不需掺杂就可以获得p型金刚石，比现有硼掺杂金刚石均匀性要好，而且没有硼掺杂激活能大的问题，这有利于改善器件性能。

(2)本发明采用高度光滑的自支撑金刚石薄膜为材料，不需抛光处理就可以直接进行ZnO/金刚石异质结的生长，简化了制作工艺，降低了成本。这有利于促进ZnO/金刚石异质结器件的大规模应用。

附图说明

图1为本发明ZnO/自支撑金刚石薄膜异质结结构示意图。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于后。

实施例1

本实施例的工艺过程和步骤如下：

(1)硅衬底预处理：采用(100)镜面抛光硅片作为沉积衬底。采用HF酸超声清洗10分钟，以去除表面的氧化硅层。为了增加纳米金刚石薄膜的成核密度，使用100nm粒径的金刚石粉木对硅衬底机械研磨10分钟。将研磨后的硅片在混有100nm金刚石粉的丙酮溶液中超声清洗10分钟。最后再将硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗，直至硅片表面洁净，烘干后放入微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置的反应室内。

(2)金刚石薄膜成核过程：先用真空泵对反应室抽真空至5Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至5×10^-3Pa以下，通入反应气体(甲烷与氢气的混合气体)，调节甲烷和氢气的流量分别为50标准毫升/分和160标准毫升/分；反应室的气压设定为1kPa；衬底偏压设定为100V；衬底温度控制在660℃；微波功率设定为1500W；薄膜成核时间0.5小时。

(3)金刚石薄膜生长过程：成核完成后，调节甲烷和氢气的流量分别为50标准毫升/分和200标准毫升/分；反应室的气压设定为5kPa；衬底温度控制在720℃；微波功率设定为1800W；薄膜生长时间80小时。

(4)自支撑金刚石薄膜制备过程：将生长好的金刚石薄膜放入HNO₃+HF(HNO₃∶HF＝1∶3，摩尔比)的混合溶液中浸泡8h，硅衬底被完全腐蚀掉后即可获得表面(成核面)非常光滑的自支撑金刚石薄膜。

(5)自支撑金刚石薄膜p型化处理过程：将自支撑金刚石薄膜放入MPCVD反应室，薄膜光滑的成核面朝上。用真空泵对反应室抽真空至5Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至5×10^-3Pa以下，通入氢气，调节氢气的流量150标准毫升/分；反应室的气压设定为3kPa微波功率设定为1600W；处理时间1.5小时。

(6)异质结的制备过程：将p型自支撑金刚石薄膜放入磁控溅射仪的样品台上，溅射靶材为高纯ZnO陶瓷靶。先用真空泵对溅射室抽真空至5Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至5×10^-3Pa以下。通入氩气，调节流量为50标准毫升/分；调节反应气压为0.3Pa；溅射功率200W；溅射时间1小时。

通过对以上制备的ZnO/自支撑金刚石薄膜异质结进行电性能测试，结果表明该异质结具有很好的整流特性。该结的开启电压约为0.69V，当施加3V正向偏压时，结电流密度可以达到120A/m²。施加负偏压至-4V，未见反向漏电流。

Claims

1.一种n-ZnO/p-自支撑金刚石薄膜异质结的制备方法，其特征在于该工艺具有以下的过程和步骤：

1)硅衬底预处理：对(100)镜面抛光硅片，采用HF酸超声清洗5～15分钟，以去除表面的氧化硅层，用100nm粒径的金刚石粉末对硅片机械研磨10～15分钟，再在混有100nm金刚石粉末的丙酮溶液中超声清洗10～20分钟，然后将硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗，直至硅片表面洁净，烘干后放入微波等离子体化学气相沉积装置的反应室内作为沉积衬底；

2)金刚石薄膜成核过程：先用真空泵对反应室抽真空至5～7Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至10^-2Pa以下，通入甲烷与氢气的混合反应气体，调节甲烷和氢气的流量分别为40～60标准毫升/分和120～160标准毫升/分；反应室的气压设定为0.5～1kPa，衬底偏压设定为50～150V，衬底温度控制在620～680℃，微波功率设定为1200～1600W，薄膜成核时间0.5～1小时；

3)金刚石薄膜生长过程：成核完成后，调节甲烷和氢气的流量分别为40～60标准毫升/分和150～200标准毫升/分；反应室的气压设定为4～5kPa，衬底温度控制在700～750℃，微波功率设定为1600～2000W，薄膜生长时间60～100小时；

4)自支撑金刚石薄膜制备过程：将生长好的金刚石薄膜放入HNO₃与HF摩尔比为1∶3的混合溶液中浸泡6～8小时，硅衬底被完全腐蚀掉后即可获得成核面非常光滑的自支撑金刚石薄膜；

5)自支撑金刚石薄膜p型化处理过程：将自支撑金刚石薄膜放入微波等离子体化学气相沉积装置的反应室内，薄膜光滑的成核面朝上，用真空泵对反应室抽真空至5～7Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至10^-2Pa以下，通入氢气，调节氢气的流量为120～160标准毫升/分；反应室的气压设定为2～3kPa，微波功率设定为1200～1600W，处理时间1～3小时；