CN103280394B - 一种在金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法 - Google Patents

一种在金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103280394B
CN103280394B CN201310183856.2A CN201310183856A CN103280394B CN 103280394 B CN103280394 B CN 103280394B CN 201310183856 A CN201310183856 A CN 201310183856A CN 103280394 B CN103280394 B CN 103280394B
Authority
CN
China
Prior art keywords
diamond
end group
hydrogen end
polar molecule
high temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201310183856.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103280394A (zh
Inventor
王晶晶
冯志红
何泽召
蔚翠
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CETC 13 Research Institute
Original Assignee
CETC 13 Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CETC 13 Research Institute filed Critical CETC 13 Research Institute
Priority to CN201310183856.2A priority Critical patent/CN103280394B/zh
Publication of CN103280394A publication Critical patent/CN103280394A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103280394B publication Critical patent/CN103280394B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本发明公开了一种在金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法，包括以下步骤：一、在衬底上形成高阻金刚石层；二、在高阻金刚石层的上表面经处理形成氢端基金刚石；三、将上述样品置于含有极性分子的气体、溶液或溶胶中处理，使氢端基金刚石中的氢端基充分吸附含有极性分子的气体、溶液或溶胶中的极性分子或官能团，从而在氢端基金刚石下表面10-20nm处形成p型导电沟道，在氢端基金刚石的上表面形成极性分子吸附层；四、将上述样品取出后常温淀积介质阻挡层。所述方法可使p型金刚石材料沟道内的载流子浓度和迁移率在20℃-500℃范围内保持稳定，进而实现金刚石器件在高温环境下正常工作。

Description

一种在金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造方法技术领域。
背景技术
金刚石材料具有优异的力学、光学、声学特性，同时作为一种宽禁带半导体材料，其拥有5.5eV的禁带宽度，高的热导率，高的击穿高击穿场强（>10MV/cm），稳定的化学特性和极强的抗辐照性能，这些都使其成为制作高频、大功率、抗辐射、耐高温和抗腐蚀电子器件的理想材料。
而制作半导体器件的必要条件之一就是在高阻的金刚石材料上实现有效的导电沟道。现行的制作高效的p型导电沟道的方法之一就是利用表面处理在金刚石表面形成由被C-H键所覆盖的氢端基金刚石，利用C-H键与空气中近表面吸附层中的水分子和CO2分子等极性分子相互作用，通过电子转移，在近表面形成导电p型导电沟道。由于近表面提供受主的吸附层主要是由环境中的空气提供，这就使这个近表面系统受环境影响非常大，而易受破坏，尤其是高温工作时，极性分子会解吸附，从金刚石近表面逃逸出去，从而造成p型沟道失效。同时，在高温有氧环境工作时，表面的吸附层和氢端基也极易受到损坏而分解，这些都会影响沟道的化学稳定性和热稳定性，也使金刚石器件的应用受到了限制。而金刚石自身的优势正是极好的热导性能、耐高温特性和耐辐照特性，当将其用于制作耐高温器件时，p沟道热稳定性差这个短板恰恰限制了金刚石器件发挥其自身优势。因此，实现稳定耐高温的沟道，是推进金刚石高温功率器件走向应用的必经之路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法，所述方法可使p型金刚石材料沟道内的载流子浓度和迁移率在20℃-500℃范围内保持稳定，进而实现金刚石器件在高温环境下正常工作。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种在金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）在衬底上形成高阻金刚石层；
（2）在高阻金刚石层的上表面经处理形成氢端基金刚石；
（3）将上述经过步骤2处理后的样品置于含有极性分子的气体、溶液或溶胶中处理，使氢端基金刚石中的氢端基充分吸附含有极性分子的气体、溶液或溶胶中的极性分子或官能团，从而在氢端基金刚石的上表面之下10-20nm处形成p型导电沟道，在氢端基金刚石的上表面之上形成极性分子吸附层；
（4）将上述经过步骤3处理后的样品取出后常温淀积介质阻挡层，防止吸附了极性分子和官能团的氢端基金刚石表面直接暴露于环境中。
优选的：所述步骤（1）为：使用微波等离子体化学气相沉积法在衬底上形成高阻金刚石层。
优选的：所述步骤（2）为：在高阻金刚石层的上表面使用氢等离子体处理法或化学掺杂法形成氢端基金刚石。
优选的：所述含有极性分子的气体为NO2和N2的混合气、NH3和H2的混合气、CF4、CO2或O3；含有极性分子的溶液或溶胶为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、倍半氧硅氢化物HSQ或偏苯三甲酸酐TMA。
优选的：所述介质阻挡层为AlxOy、SixOy、HfxOy、SixNy，BxNy或C60中的一种或几种介质组合形成的介质阻挡层。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明利用化学掺杂辅助介质吸附法在氢端基金刚石表面进行处理，并淀积介质层，可使p型金刚石材料沟道内载流子浓度和迁移率在20℃-500℃保持稳定，进而实现金刚石器件在高温环境下正常工作。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明所述方法制造的样品结构示意图；
其中：1、衬底2、高阻金刚石层3、p型导电沟道4、极性分子吸附层5、介质阻挡层。
具体实施方式
一种在金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）在衬底上形成高阻金刚石层；
（2）在高阻金刚石层的上表面经处理形成氢端基金刚石；
（3）将上述经过步骤2处理后的样品置于含有极性分子的气体、溶液或溶胶中处理，使氢端基金刚石中的氢端基充分吸附含有极性分子的气体、溶液或溶胶中的极性分子或官能团，从而在氢端基金刚石的上表面之下10-20nm处形成p型导电沟道，在氢端基金刚石的上表面之下形成极性分子吸附层；
（4）将上述经过步骤3处理后的样品取出后常温淀积介质阻挡层，防止吸附了极性分子和官能团的氢端基金刚石表面直接暴露于环境中。
进一步的，所述步骤（1）为：使用微波等离子体化学气相沉积法即MPCVD法在衬底上形成高阻金刚石层。所述步骤（2）为：在高阻金刚石层的上表面使用氢等离子体处理法或化学掺杂法形成氢端基金刚石。所述含有极性分子的气体为NO2和N2的混合气、NH3和H2的混合气、CF4、CO2或O3；含有极性分子的溶液或溶胶为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、倍半氧硅氢化物HSQ或偏苯三甲酸酐TMA。
所述介质阻挡层为AlxOy、SixOy、HfxOy、SixNy，BxNy或C60中的一种或几种介质组合形成的介质阻挡层。
实施例一：（1）在钼衬底上利用微波等离子体化学气相沉积法生长高阻金刚石300μm；
（2）利用氢等离子体处理30分钟在高阻金刚石材料上形成p型导电沟道；
（3）处理后得到的氢端基金刚石置于化学气相沉积设备中，抽真空至10-4mbar，然后通入NH3和H2的混合气，其中NH3流量为500mL/min，H2流量为20L/min，反应室压力100mbar，处理时间1小时。
（4）取出样品后，在原子层淀积设备中常温淀积3nm的HfO2介质阻挡层，防止吸附了极性分子和官能团的氢端基金刚石表面直接暴露于环境中。
实施例二：（1）在钼衬底上利用直流电弧法生长高阻金刚石300μm；
（2）利用氢等离子体处理30分钟在高阻金刚石材料上形成p型导电沟道；
（3）处理后得到的氢端基金刚石在偏苯三甲酸酐TMA中浸泡30min；
（4）取出样品后，在原子层淀积设备中常温淀积3nm的Al2O3介质阻挡层，防止吸附了极性分子和官能团的氢端基金刚石表面直接暴露于环境中。
当这种氢端基金刚石暴露在极性分子气氛中时，会吸附其中极性分子，而形成一个电化学系统，此系统中，C-H偶极子的电负性为1.3eV，价带高于吸附极性分子的化学势，会导致电子的转移，此时，界面处的费米能级将被钉扎在价带以下，金刚石的近表面区域将会有空穴的累积，宏观表现为：近表面形成空穴导电沟道。极性分子吸附层和介质阻挡层的作用在是吸附有效气体分子并充当阻挡层，高温时，阻止表面的极性分子吸附层逃逸出，以此来保证金刚石近表面的受主供应，维持沟道稳定工作。
本发明利用化学掺杂辅助介质吸附法在氢端基金刚石表面进行处理，并淀积介质层，可使p型金刚石材料沟道内载流子浓度和迁移率在20℃-500℃保持稳定，进而实现金刚石器件在高温环境下正常工作。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及其实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用来帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种在金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）在衬底（1）上形成高阻金刚石层（2）；
2）在高阻金刚石层的上表面经处理形成氢端基金刚石；
3）将上述经过步骤2）处理后的样品置于含有极性分子的气体、溶液或溶胶中处理，使氢端基金刚石中的氢端基充分吸附含有极性分子的气体、溶液或溶胶中的极性分子或官能团，从而在氢端基金刚石的上表面之下10-20nm处形成p型导电沟道（3），在氢端基金刚石的上表面之上形成极性分子吸附层（4）；
4）将上述经过步骤3）处理后的样品取出后常温淀积介质阻挡层（5），防止吸附了极性分子和官能团的氢端基金刚石表面直接暴露于环境中。
2.根据权利要求1所述的一种在金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法，其特征在于所述步骤1）为：使用微波等离子体化学气相沉积法在衬底上形成高阻金刚石层。
3.根据权利要求1所述的一种在金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法，其特征在于所述步骤2）为：在高阻金刚石层的上表面使用氢等离子体处理法或化学掺杂法形成氢端基金刚石。
4.根据权利要求1所述的一种在金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法，其特征在于所述含有极性分子的气体为NO2和N2的混合气、NH3和H2的混合气、CF4、CO2或O3；含有极性分子的溶液或溶胶为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、倍半氧硅氢化物HSQ或偏苯三甲酸酐TMA。
5.根据权利要求1所述的一种在金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法，其特征在于所述介质阻挡层为AlxOy、SixOy、HfxOy、SixNy，BxNy或C60中的一种或几种介质组合形成的介质阻挡层。
CN201310183856.2A 2013-05-17 2013-05-17 一种在金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法 Active CN103280394B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310183856.2A CN103280394B (zh) 2013-05-17 2013-05-17 一种在金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310183856.2A CN103280394B (zh) 2013-05-17 2013-05-17 一种在金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103280394A CN103280394A (zh) 2013-09-04
CN103280394B true CN103280394B (zh) 2016-01-20

Family

ID=49062882

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310183856.2A Active CN103280394B (zh) 2013-05-17 2013-05-17 一种在金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103280394B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107331701A (zh) * 2017-06-27 2017-11-07 中国科学院微电子研究所 一种金刚石材料沟道导电特性优化方法
CN107146756A (zh) * 2017-06-27 2017-09-08 中国科学院微电子研究所 一种金刚石基底场效应晶体管制备方法
CN107331602A (zh) * 2017-06-27 2017-11-07 中国科学院微电子研究所 一种金刚石材料表面空穴浓度提高方法
CN107604324B (zh) * 2017-09-20 2019-11-12 北京科技大学 一种用于离子传感器的氢终端金刚石表面电化学修复方法
CN107731915B (zh) * 2017-10-12 2024-01-30 中国电子科技集团公司第十三研究所 半导体器件及利用突变异质结形成金刚石p型导电沟道的方法
CN108941541A (zh) * 2018-07-25 2018-12-07 芜湖昌菱金刚石工具有限公司 一种金刚石表面形成高温稳定覆层的方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101512770A (zh) * 2006-08-11 2009-08-19 阿克汗技术有限公司 P沟道纳米晶体金刚石场效应晶体管
CN102903756A (zh) * 2012-09-07 2013-01-30 中国电子科技集团公司第五十五研究所 金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管及制备法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5747245B2 (ja) * 2010-10-14 2015-07-08 国立研究開発法人物質・材料研究機構 電界効果トランジスタ及びその製造方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101512770A (zh) * 2006-08-11 2009-08-19 阿克汗技术有限公司 P沟道纳米晶体金刚石场效应晶体管
CN102903756A (zh) * 2012-09-07 2013-01-30 中国电子科技集团公司第五十五研究所 金刚石金属-绝缘体-半导体结构场效应晶体管及制备法

Also Published As

Publication number Publication date
CN103280394A (zh) 2013-09-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103280394B (zh) 一种在金刚石表面制作稳定耐高温氢端基导电沟道的方法
JP6033496B2 (ja) 垂直ｎａｎｄ素子のための新規のマスク除去方法
KR101451591B1 (ko) 자외선-보조형 광화학적 증착에 의한 플라즈마 손상된 저-k 필름들의 유전체 복구
CN107492482A (zh) 一种提高碳化硅外延层载流子寿命的方法
JP2013219336A5 (zh)
KR20120059853A (ko) 그래핀 기판 및 제조방법
CN107437498A (zh) 碳化硅mos结构栅氧制备方法及碳化硅mos结构制备方法
WO2015176220A1 (zh) 一种对石墨烯进行硫掺杂的方法
CN105217604A (zh) 一种在半绝缘硅面碳化硅上原位外延生长石墨烯pn结的方法
CN105575814B (zh) 鳍式场效应晶体管及其形成方法
CN107731915B (zh) 半导体器件及利用突变异质结形成金刚石p型导电沟道的方法
CN103241730A (zh) 一种利用分子模板对石墨烯表面图案化原子掺杂的方法
JP5971718B2 (ja) 半導体装置製造方法
CN103205729B (zh) 用ald设备生长氮化镓薄膜的方法
CN107275279B (zh) 半导体结构及其的形成方法
Hanafusa et al. High-temperature and high-speed oxidation of 4H-SiC by atmospheric pressure thermal plasma jet
Omura et al. Layer-by-layer etching of LaAlSiOx
CN103964417B (zh) 一种含锗元素的掺杂石墨烯的制备方法
CN107331701A (zh) 一种金刚石材料沟道导电特性优化方法
CN103280395B (zh) 一种热退火法在金刚石表面制作氢端基导电沟道的方法
Park et al. Solution-processed Al2O3 gate dielectrics for graphene field-effect transistors
CN207217546U (zh) 一种具有p型导电沟道的半导体器件
CN102674317B (zh) 基于C注入的Ni膜辅助SiC衬底石墨烯纳米带制备方法
JP5618430B2 (ja) 半導体装置およびその製造方法
Kosugi et al. Thermal oxidation of (0001) 4H-SiC at high temperatures in ozone-admixed oxygen gas ambient

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant