CN111524993B - 一种基于量子碳膜的pn结二极管结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于量子碳膜的pn结二极管结构及制作方法，该pn结二极管结构包括：p型基板，所述p型基板是由多层石墨烯层上下层叠形成的量子碳膜基板；位于所述p型基板的上侧的n型层，所述n型层是通过在所述p型基板中注入掺杂元素而形成，所述n型层与所述p型基板形成pn结；位于所述n型层上与所述n型层形成欧姆接触的上电极；以及位于所述p型基板的下侧与所述p型基板形成欧姆接触的下电极。该pn结二极管结构可应用于高温、高频、高效的大功率器件，能够提高器件性能。该制作方法工艺简单，易于量产和普及。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，特别是涉及一种基于量子碳膜的pn结二极管结构及制作方法。
背景技术
pn结是半导体器件中的基础器件结构，传统技术中典型的pn结二极管基于硅半导体制作。而随着科学技术的发展，己有的半导体材料己经不能满足一些领域的需求，尤其是一些处于高温高压等极端环境下的军事、航天等应用领域，因此，拥有优异性能的新型半导体材料的开发刻不容缓。
石墨烯基的半导体功能器件最近成为了研究的热点，但是本征石墨烯的零带隙特点限制了其在微电子领域的应用。通过掺杂形成的石墨烯pn结，结区的面积小，不能充分发挥pn结的优势。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于量子碳膜的pn结二极管结构及制作方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于量子碳膜的pn结二极管结构，包括：p型基板，所述p型基板是由多层石墨烯层上下层叠形成的量子碳膜基板；位于所述p型基板的上侧的n型层，所述n型层是通过在所述p型基板中注入掺杂元素而形成，所述n型层与所述p型基板形成pn结；位于所述n型层上与所述n型层形成欧姆接触的上电极；以及位于所述p型基板的下侧与所述p型基板形成欧姆接触的下电极。
进一步地：
所述量子碳膜基板的厚度为6-100微米。
所述掺杂元素为氮元素、磷元素、砷元素或其组合。优选地，所述掺杂元素为氮元素，氮离子的注入剂量为1×1018cm-3-3×1020cm-3，优选地，注入剂量为1.1×1020cm-3-1.5×1020cm-3。
所述上电极和所述pn结形成突出在所述量子碳膜基板表面上的台面。
所述上电极为Au、Al、Cr、Ti、Mo或Pd单层电极，或MoW合金电极，或石墨烯、纳米银或透明氧化物电极，或Ti/Pt、Ti/Au双层电极或Ti/Al/Ni/Au多层电极；优选的，为Ti/Au双层电极，更优选地，包括1-10nmTi膜，更优选5nm的Ti膜，以及20-100nm的Au膜，更优选50nmAu膜。
一种所述的基于量子碳膜的pn结二极管结构的制作方法，包括如下步骤：
A1、通过离子注入方法在由量子碳膜构成的p型基板中注入掺杂元素，形成所述p型基板的上侧的n型层；
A2、对离子注入区进行退火，以修复离子注入引起的晶格损伤，并激活掺杂元素；
A3、在所述n型层上制备上电极；
A4、在所述p型基板的下侧制备下电极。
进一步地：
步骤A1中，优选地，由离子阻挡层在所述量子碳膜上形成离子注入区，优选地，所述离子阻挡层为有机或无机绝缘材料，更优选为光刻胶，所述光刻胶通过光刻、显影形成中心开口区域；优选地，所述掺杂元素为氮元素、磷元素、砷元素或其组合，更优选地，所述掺杂元素为氮元素，氮离子的注入剂量为1×1018cm-3-3×1020cm-3，注入能量为2-100keV。优选注入剂量为1.1×1020cm-3-1.5×1020cm-3。优选的注入能量为50-80keV。
步骤A2中，优选地，去掉所述离子阻挡层，在惰性气氛下对所述离子注入区进行退火，退火温度为800-1000℃，退火10-90分钟，更优选40-60分钟，优选地，惰性气氛为氮气气氛或氩气气氛。
步骤A3中，所述上电极为Au、Al、Cr、Ti、Mo或Pd单层电极，或MoW合金电极，或石墨烯、纳米银或透明氧化物电极，或Ti/Pt、Ti/Au双层电极或Ti/Al/Ni/Au多层电极；优选地，为Ti/Au双层电极，更优选地，包括1-10nm更优选5nm的Ti膜，以及20-100nm更优选50nm的Au膜；步骤A3中，由光刻胶在所述n型层上通过光刻、显影形成中心开口区域，优选地，先在光刻胶层上电子束蒸镀Ti膜，再电子束蒸镀Au膜，然后去掉光刻胶层，形成上电极；优选地，在形成所述上电极之后进行真空100℃-400℃退火，时间5-20min。
还包括如下步骤：
以所述上电极为掩膜，采用反应离子刻蚀方法形成中间具有所述上电极和所述pn结、周围暴露所述量子碳膜基板的台面；优选地，反应离子刻蚀采用射频13.56MHz，功率30-500W，氧流量5-50sccm，更优选20sccm，所述量子碳膜基板处于常温。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明基于量子碳膜的pn结二极管结构的pn结结区面积大，能够提高器件性能。
(2)本发明提供的基于量子碳膜的pn结二极管具有高整流率、高工作电压和高击穿电压，可应用于高温、高频、高效的大功率器件。
(3)本发明基于量子碳膜的pn结二极管结构的制作方法工艺简单，降低了成本，易于量产和普及。
在优选的方案中，通过台面结构缓解二极管两端峰值电场，具有较高的击穿电压，可以抑制边缘的漏电流和边缘击穿，提高二极管可靠性。
附图说明
图1为本发明一种实施例的基于量子碳膜的pn结二极管结构剖面示意图；
图2为本发明一种实施例中离子注入示意图；
图3为本发明一种实施例中制作上电极掩膜图形的示意图；
图4为本发明一种实施例中上电极的形成示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
CN106206682A公开了一种由聚酰亚胺碳化而成量子碳基膜，对该量子碳膜进行纳米金属材料的掺杂，以在该量子碳膜中形成量子点。经该方法制备的多层量子碳基二维半导体材料为六角平面网分子结构，且有序排列，具备柔性，曲折率大、面内分散度和偏差度非常小的特点。并且，通过纳米金属的掺杂，获得了p型量子碳半导体膜，带隙宽度可达1.3eV，载流子迁移率可达400cm2/(V·s)，并且，量子碳膜的高温稳定性好，抗电磁波冲击和抗辐射破坏的能力强，可应用于高温等极端环境，是目前主流半导体材料所不具备的，可用于制作高温、高频、高效的大功率器件，在电子器件领域拥有广阔的应用前景。
图1为本发明一种实施例的基于量子碳膜的pn结二极管结构剖面示意图。参阅图1，本发明实施例提供一种基于量子碳膜的二极管结构，该结构包括：p型基板1，本实施例p型基板采用CN106206682A公开的柔性量子碳膜基板，典型厚度为6-100微米，具有自支撑能力，由多层石墨烯层上下层叠形成。p型基板1上有n型层3，n型层3与p型基板1形成pn结，n型层3是通过在p型基板1中氮离子注入而形成。上电极4与n型层3上，与n型层3形成欧姆接触。下电极2在p型基板1的下侧，与p型基板1形成欧姆接触。
参阅图1至图4，本发明实施例还提供了一种利用离子注入实现基于量子碳膜的pn结二极管的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)在量子碳膜中进行离子注入
首先，采用耐高温夹具夹持量子碳膜，典型的采用石英夹具夹持。由于量子碳膜具有自支撑能力，因此，这里的夹持只是为量子碳膜提供一个框架。
接着，采用离子注入方法在p型基板1中进行n型掺杂，形成n型层3，参考图2。这种方法是直接用离子束轰击量子碳膜，从而达到替位掺杂的目的。n型掺杂时的掺杂元素可选用氮元素、磷元素、砷元素或其组合，也可选择其他的掺杂元素。在一个具体的实施方案中，n型掺杂时所述掺杂元素选用氮元素。这是因为氮原子的原子半径和碳原子的原子半径相差不大，掺入量子碳膜中引起的晶格缺陷更小。
在量子碳膜上形成离子注入区，离子注入区由离子阻挡层5形成，离子阻挡层5可选用有机或无机绝缘材料，优选地，选用光刻胶。光刻胶通过光刻、显影形成中心开口区域，该区域由光刻胶限定，不被光刻胶覆盖，在该区域实施氮离子注入形成n型层3。
一个优选实施例中，掺杂元素采用氮离子，氮离子的注入剂量为1×1018cm-3-3×1020cm-3，注入能量为2-100keV。更优选地，注入剂量为1.1×1020cm-3-1.5×1020cm-3，优选的注入能量为50-80keV。
利用上述方法，可制备可控掺杂量的n型高质量量子碳膜。通过控制注入区域，可制备图案化掺杂的量子碳膜。
(2)惰性气氛下退火
去掉离子阻挡层5后，在惰性气氛下对所述离子注入区进行退火，退火温度为800-1000℃，以修复离子注入引起的晶格损伤，并激活掺杂原子。退火时间10-90分钟，更优选40-60分钟，得到退火后的基于量子碳膜的二极管。惰性气氛可以选择氮气或氩气气氛，优选的，选择氮气气氛。
(3)上电极制备
参考图3，在n型层3上设置光刻胶层6，通过光刻、显影形成中心开口区域，该区域由光刻胶层6限定，没有光刻胶覆盖。
电极材料可以选用Au、Al、Cr、Ti、Mo、Pd等形成单层电极，也可以选用MoW等合金电极，也可以选用透明电极如石墨烯、纳米银或透明技术氧化物，也可以选用Ti/Pt，Ti/Au等双层电极或Ti/Al/Ni/Au等多层电极。优选的，选用Ti/Au双层电极。先采用电子束蒸镀在光刻胶层6上1-10nmTi膜，优选的，5nm的Ti膜，再电子束蒸镀20-100nm的优选50nmAu膜，制作图形化的上电极。
参考图4，去掉作为掩膜的光刻胶层6，形成设置在n型层3上面的上电极4。
其中，上电极图形化之后进行真空100℃-400℃退火，时间5-20min。上电极4与n型层3形成欧姆接触。
(4)台面制备
以上电极4为掩膜，采用反应离子刻蚀方法形成台面。刻蚀深度超过n型层3的厚度。反应离子刻蚀采用射频(13.56MHz)功率30-500W，氧流量5-50sccm，优选20sccm。基板处于常温。
(5)下电极形成
将制备好的二极管结构从石英夹具上取下，然后在二极管结构背面涂覆银浆，100-200℃热处理10-20min后，形成下电极2，完成整个制备工艺。
实施例制备的基于量子碳膜的pn结二极管如图1所示。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
Claims (14)
1.一种基于量子碳膜的适用于大功率器件的pn结二极管结构的制作方法，其特征在于，所述pn结二极管结构包括：p型基板，所述p型基板是由多层石墨烯层上下层叠形成的量子碳膜基板，该量子碳膜基板进行了纳米金属材料的掺杂，以在该量子碳膜基板中形成量子点；位于所述p型基板的上侧的n型层，所述n型层是通过在所述p型基板中离子注入掺杂元素而形成，所述n型层与所述p型基板形成pn结；位于所述n型层上与所述n型层形成欧姆接触的上电极；以及位于所述p型基板的下侧与所述p型基板形成欧姆接触的下电极；
所述制作方法包括：
A1、通过离子注入方法在由量子碳膜构成的p型基板中的离子注入区注入掺杂元素，形成所述p型基板的上侧的n型层；
A2、对离子注入区进行退火，以修复离子注入引起的晶格损伤，并激活掺杂元素；
A3、在所述n型层上制备上电极；然后，以所述上电极为掩膜，采用反应离子刻蚀方法形成中间具有所述上电极和所述pn结、周围暴露所述p型基板的台面；
A4、在所述p型基板的下侧制备下电极。
2.如权利要求1所述的pn结二极管结构的制作方法，其特征在于，所述量子碳膜基板的厚度为6-100微米。
3.如权利要求1或2所述的pn结二极管结构的制作方法，其特征在于，所述掺杂元素为氮元素、磷元素、砷元素或其组合。
4.如权利要求3所述的pn结二极管结构的制作方法，其特征在于，所述掺杂元素为氮元素，氮离子的注入剂量为1×1018cm-3-3×1020cm-3，注入能量为2-100keV。
5.如权利要求4所述的pn结二极管结构的制作方法，其特征在于，氮离子的注入剂量为1.1×1020cm-3-1.5×1020cm-3，注入能量为50-80keV。
6.如权利要求1至2任一项所述的pn结二极管结构的制作方法，其特征在于，所述上电极为Au、Al、Cr、Ti、Mo或Pd单层电极，或 MoW合金电极，或石墨烯、纳米银或透明氧化物电极，或Ti/Pt、Ti/Au双层电极或 Ti/Al/Ni/Au多层电极。
7.如权利要求1至2任一项所述的pn结二极管结构的制作方法，其特征在于，所述上电极为Ti/Au双层电极，包括1-10nmTi膜以及 20-100nm的Au膜。
8.如权利要求1所述的pn结二极管结构的制作方法，其特征在于，步骤A1中，由离子阻挡层在所述量子碳膜上形成所述离子注入区。
9.如权利要求8所述的pn结二极管结构的制作方法，其特征在于，所述离子阻挡层为光刻胶，所述光刻胶通过光刻、显影形成中心开口区域。
10.如权利要求8所述的pn结二极管结构的制作方法，其特征在于，步骤A2中，去掉所述离子阻挡层，在惰性气氛下对所述离子注入区进行退火，退火温度为800-1000℃，退火10-90分钟，惰性气氛为氮气气氛或氩气气氛。
11.如权利要求10所述的pn结二极管结构的制作方法，其特征在于，步骤A2中，退火40-60分钟。
12.如权利要求1所述的pn结二极管结构的制作方法，其特征在于，步骤A3中，由光刻胶在所述n型层上通过光刻、显影形成中心开口区域。
13.如权利要求1所述的pn结二极管结构的制作方法，其特征在于，在形成所述上电极之后进行真空100℃-400℃退火，时间5-20min。
14.如权利要求1所述的pn结二极管结构的制作方法，其特征在于，
反应离子刻蚀采用射频13.56 MHz，功率30-500W，氧流量5-50sccm，所述量子碳膜基板处于常温。
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