CN113990965B - 一种混合石墨烯电极的半导体器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种混合石墨烯电极的半导体器件及其制造方法，该器件的元胞结构包括：N型衬底，N型缓冲层，N型外延层，表面设有与N型外延层形成肖特基接触的石墨烯电极和金属电极，衬底下面设有与N型衬底形成欧姆接触的金属背电极。本发明的优点在于石墨烯具有极高的透光率和可调控的功函数，其与功函数较高的金属在N型外延层表面组成混合电极，可使器件的暗电流降低，噪音降低，灵敏度提高，检测弱信号能力增强，波长探测范围增大，性能稳定性提高。还可以降低器件正向导通状态时的开启电压，以及降低阻断状态下的泄漏电流，提高击穿电压。本发明器件可应用于光电领域和功率领域。

Description

一种混合石墨烯电极的半导体器件及其制造方法
技术领域
本发明属于半导体器件领域，具体而言是一种混合石墨烯电极的半导体器件及其制造方法。
背景技术
肖特基二极管的功耗取决于正向压降和反向泄露电流，二者都应尽可能低才可降低器件功耗。为满足器件正向压降低，需要肖特基势垒高度低，为满足器件反向泄漏电流低，肖特基势垒应尽可能的高。然而，与传统的肖特基二极管外延层表面直接接触的只有一种金属，该金属具有唯一的功函数，与半导体只能产生唯一的肖特基势垒，所以在器件正向状态具有小的势垒高度与在器件反向状态具有大的势垒高度这两个需求是相互冲突的。在光电领域，传统的光电探测器采用金属-半导体结构，金属的透光率低，可检测光的波长范围小，同时，低肖特基势垒的光电探测器具有暗电流大，噪声强，对弱信号的检测能力弱的缺点。石墨烯是一种具有优异的力、热、光、电等性能的二维材料，具有极好的导电性，其电子迁移率超过1.5×104cm2·V-1·s-1，是本征硅的10倍以上，同时，单层石墨烯对光的吸收率只有2.3％，具有极好的导电性、透光性，以及功函数可调的特性，在光电探测领域和功率器件领域有很大的潜能，可以解决光电领域和功率领域的上述问题。本发明器件，提出了一种混合石墨烯电极的新型结构，同时提出了与传统工艺兼容的器件制作工艺。
发明内容
技术问题：本发明针对上述问题，提出了一种与现有半导体器件制造工艺兼容，既可以降低器件正向导通状态时的开启电压，降低阻断状态下的泄漏电流，也可以降低器件的暗电流，增强检测弱信号能力，增大探测波长范围的混合石墨烯电极的半导体器件及其制造方法。
技术方案：本发明采用的混合石墨烯电极的半导体器件包括：N型衬底，在N型衬底的一个表面上设有背部电极金属，在N型衬底的另一个表面上设有N型缓冲层，在N型缓冲层上设有N型外延层，N型外延层表面设有与N型外延层形成肖特基接触的石墨烯电极和高功函数金属电极。
其中，
所述的N型外延层的上表面为多个凸起，石墨烯电极位于该凸起的顶部，高功函数金属电极位于该凸起的侧面和N型外延层的上表面。
所述的高功函数金属电极嵌入N型外延层的上表面，与N型外延层形成肖特基接触的石墨烯电极覆盖在高功函数金属电极和N型外延层的上表面。
所述石墨烯电极的材料不限于单层石墨烯或者多层石墨烯，或具有石墨烯特性的二维材料。
本发明的混合石墨烯电极的半导体器件的制造方法为：
步骤1.取一个N型衬底，使用溅射工艺，在N型衬底的一个表面上制作背部电极金属，在N型衬底的另一个表面上生长N型缓冲层，
步骤2.在N型缓冲层表面上形成N型外延层，
步骤3.使用转移法将石墨烯转移到N型外延层表面，然后，使用等离子体反应刻蚀技术，刻蚀掉部分石墨烯，留下间隔分布的石墨烯电极，
步骤4.使用溅射工艺和金属剥离工艺在N型外延层上形成和石墨烯电极紧密接触间隔排布的高功函数金属电极，组成混合石墨烯电极。
其中，
步骤4所使用的高功函数金属电极为功函数高于石墨烯费米能级的金属，以及不限于其他功函数高于石墨烯并可以用作电极的材料。
步骤4所述混合石墨烯电极，结构上石墨烯与高功函数金属电极为恰好搭接、部分搭接或完全覆盖。
有益效果：与现有器件结构及制造技术相比，本发明具有如下优点：
(1)石墨烯和高功函数金属组成的混合电极使该器件具有高的透光率和低的暗电流。由于单层石墨烯对光的吸收率只有2.3％，其在可见光至近红外波段透光率为97.7％，在紫外波段透光率超过90％，因此，该石墨烯混合电极具有极好的透光率，使该器件具有大的波长探测范围。肖特基器件的暗电流和肖特基接触的势垒高度相关，高功函数的金属和N型外延层形成的肖特基接触具有更小的暗电流。低功函数的石墨烯和高功函数的金属组成的混合电极，暗电流的大小主要由高功函数的金属和N型外延层形成的肖特基结决定，因此，该石墨烯混合电极使器件具有小的暗电流，低的噪声，强的检测弱信号能力。同时，石墨烯肖特基结还拥有极高的光电转换效率。该结构可用于光电探测二极管。
(2)石墨烯和高功函数金属组成的混合电极使该器件具有低的正向开启压降和低的反向泄漏电流、高的击穿电压。二极管的正向压降主要由低势垒的肖特基结决定，石墨烯的功函数低，和N型外延层形成的肖特基结势垒低，因此该混合电极器件的正向开启压降低。而在该器件处于反偏状态时，高功函数的金属和N型外延层形成的肖特基结，在N型外延层一侧扩展形成厚的耗尽层，降低器件的反向泄漏电流，同时，扩展的耗尽层可以起到保护低势垒区域的效果，增大器件的击穿电压。相比于传统的高功函数金属形成的肖特基二极管，该混合石墨烯电极的半导体器件具有低的正向开启压降，而相比于传统的低功函数金属形成的肖特基二极管，该器件具有更低的反向泄漏电流，以及更大的击穿电压。同时，低的正向开启压降和低的反向泄漏电流可以极大地降低器件的功耗。该结构可用于功率二极管。
(3)石墨烯和高功函数金属组成的石墨烯混合电极采用石墨烯作为电极材料，其电子饱和速度大，电子迁移率可以达到2.5×104cm2/(V·s)，电导率达到106S/m，相比于其他高透光率、低功函数的非金属材料，是极好的导电材料，适合用作电极。同时，相比于传统的单一金属电极，石墨烯的功函数可调控，在与N型外延层形成肖特基异质结时，可以实现对肖特基势垒、理想因子等肖特基结参数的调控。
附图说明
图1是本发明的混合石墨烯电极的半导体器件元胞结构剖面图。
图2是本发明制造方法使用溅射工艺在N型衬底上形成背部电极和N型缓冲层的示意图。
图3是本发明制造方法在N型缓冲层上形成N型外延层的示意图。
图4是本发明制造方法在N型外延层上通过转移法形成石墨烯并通过等离子体反应刻蚀技术去除部分石墨烯的示意图。
图5是本发明的混合石墨烯电极的半导体器件第一种版图拓扑结构。
图6是本发明的混合石墨烯电极的半导体器件第二种版图拓扑结构。
图7是本发明的混合石墨烯电极的半导体器件第三种版图拓扑结构。
图8是本发明的混合石墨烯电极的半导体器件元胞第二种剖面图结构。
图9是本发明的混合石墨烯电极的半导体器件元胞第三种剖面图结构。
具体实施方式：
实施例1：
本发明的一种混合石墨烯电极的半导体器件包括：N型衬底1，在N型衬底1的一个表面上设有背部电极金属6，在N型衬底1的另一个表面上设有N型缓冲层2，在N型缓冲层2上设有N型外延层3，N型外延层3表面设有与N型外延层3形成肖特基接触的石墨烯电极4和高功函数金属电极5。
所述的N型外延层3的上表面为多个凸起，石墨烯电极4位于该凸起的顶部，高功函数金属电极5位于该凸起的侧面和N型外延层3的上表面。
所述的高功函数金属电极5嵌入N型外延层3的上表面，与N型外延层3形成肖特基接触的石墨烯电极4覆盖在高功函数金属电极5和N型外延层3的上表面。
所述石墨烯层电极4的材料不限于单层石墨烯或者多层石墨烯，或具有石墨烯特性的二维材料。
本发明所述结构的制造方法：
步骤1如图2所示，取一个N型衬底1，使用溅射工艺，在N型衬底1的一个表面上制作背部电极金属6，在N型衬底的另一个表面上生长N型缓冲层2，
步骤2如图3所示，在N型缓冲层2表面上形成N型外延层3，
步骤3如图4所示，使用转移法将石墨烯转移到N型外延层3表面，然后，使用等离子体反应刻蚀技术，刻蚀掉部分石墨烯，留下间隔分布的石墨烯4，
步骤4使用溅射工艺和金属剥离工艺在N型外延层3上形成和石墨烯4紧密接触，间隔排布的高功函数金属5，组成混合石墨烯电极。
该结构可用于光电探测二极管。由于石墨烯具有极好的透光率，其在可见光至近红外波段透光率为97.7％，在紫外波段透光率超过90％，因此该混合电极光电二极管和传统的金属-半导体肖特基结光电二极管相比，具有更好的透光率和更大的波长检测范围。同时，石墨烯-半导体异质结拥有极高的光电转换效率。而光电二极管的暗电流和肖特基金属的功函数相关，高势垒的肖特基接触具有更小的暗电流。低势垒的石墨烯和高功函数的金属组成的混合电极，暗电流的大小主要由高功函数金属决定。因此，相比于传统的低肖特基势垒光电二极管，该混合电极光电二极管具有小的暗电流，低的噪音，强的检测弱信号能力。
实施例2：
本发明结构同实施例1，所述结构的制造方法：
步骤1如图2所示，取一个N型衬底1，使用溅射工艺，在N型衬底1的一个表面上制作背部电极金属6，在N型衬底的另一个表面上生长N型缓冲层2，
步骤2如图3所示，在N型缓冲层2表面上形成N型外延层3，
步骤3如图4所示，使用转移法将石墨烯转移到N型外延层3表面，然后，使用等离子体反应刻蚀技术，刻蚀掉部分石墨烯，留下间隔分布的石墨烯4，
步骤4使用溅射工艺和金属剥离工艺在N型外延层3上形成和石墨烯4紧密接触，间隔排布的高功函数金属5，组成混合石墨烯电极。
该结构可用于功率二极管。石墨烯和高功函数金属组成的混合电极使二极管具有低的正向开启压降和低的反向泄漏电流，高的击穿电压。混合电极二极管的正向开启压降主要由低势垒的肖特基结决定，因此在正向开启时，低功函数的石墨烯和半导体形成的肖特基结使该二极管具有低的正向开启压降。而在二极管处于反偏状态时，高功函数的金属和半导体形成的肖特基结，在半导体一侧扩展形成厚的耗尽层，降低器件的反向泄漏电流，同时，扩展的耗尽层可以起到保护低势垒区域的效果，增大器件的击穿电压。因此，相比于传统的高肖特基势垒功率二极管，该混合电极二极管具有低的正向开启压降，而相比于传统的低肖特基势垒功率二极管，该混合电极二极管具有更低的反向漏电，以及更大的击穿电压。同时，低的开启压降和低的反向漏电，这些都会导致器件功耗大大的减少。
本发明的工作原理和工作过程如下：
本发明提出的一种混合石墨烯电极的半导体器件，其元胞结构包括，N型衬底N型缓冲层，N型外延层，N型外延层上设有与其形成肖特基接触的石墨烯电极和金属电极，衬底下面设有与其形成欧姆接触的金属背电极。
由于石墨烯具有极好的透光率，单层石墨烯对光的吸收率只有2.3％，因此，该石墨烯混合电极具有高的透光率和大的波长检测范围。肖特基二极管的暗电流和肖特基结的势垒高度相关，肖特基结势垒高的二极管具有更小的暗电流，低功函数的石墨烯和高功函数的金属组成的混合电极，暗电流的大小主要由高功函数金属和半导体形成的肖特基结决定，因此，该石墨烯混合电极可以降低器件的暗电流，减小噪声，增强检测弱信号能力。
同时，该混合电极器件的正向开启压降主要由低势垒的肖特基结决定，因此在正向开启时，低功函数的石墨烯和半导体形成的肖特基结使该器件具有低的正向开启压降。而在器件处于反偏状态时，高功函数的金属和半导体形成的肖特基结，在半导体一侧扩展形成厚的耗尽层，减少器件的反向泄漏电流，同时起到保护低势垒区域的效果，增大击穿电压。同时，低的开启电压和低的反向漏电，可以大大的减少器件的功耗。

Claims (5)

1.一种混合石墨烯电极的半导体器件，其特征在于包括：N型衬底（1），在N型衬底（1）的一个表面上设有背部电极金属（6），在N型衬底（1）的另一个表面上设有N型缓冲层（2），在N型缓冲层（2）上设有N型外延层（3），N型外延层（3）表面设有与N型外延层（3）形成肖特基接触的石墨烯电极（4）和高功函数金属电极（5）；
所述的N型外延层（3）的上表面为多个凸起，石墨烯电极（4）位于该凸起的顶部，高功函数金属电极（5）位于该凸起的侧面和N型外延层（3）的上表面；或：
所述的高功函数金属电极（5）嵌入N型外延层（3）的上表面，与N型外延层（3）形成肖特基接触的石墨烯电极（4）覆盖在高功函数金属电极（5）和N型外延层（3）的上表面。
2.根据权利要求1所述的混合石墨烯电极的半导体器件，其特征在于，所述石墨烯电极（4）的材料不限于单层石墨烯或者多层石墨烯，或具有石墨烯特性的二维材料。
3.一种如权利要求1所述的混合石墨烯电极的半导体器件的制造方法，其特征在于，
步骤1.取一个N型衬底（1），使用溅射工艺，在N型衬底（1）的一个表面上制作背部电极金属（6），在N型衬底（1）的另一个表面上生长N型缓冲层（2），
步骤2.在N型缓冲层（2）表面上形成N型外延层（3），
步骤3.使用转移法将石墨烯转移到N型外延层（3）表面，然后，使用等离子体反应刻蚀技术，刻蚀掉部分石墨烯，留下间隔分布的石墨烯电极（4），
步骤4.使用溅射工艺和金属剥离工艺在N型外延层（3）上形成和石墨烯电极（4）紧密接触间隔排布的高功函数金属电极（5），组成混合石墨烯电极。
4.根据权利要求3所述的混合石墨烯电极的半导体器件的制造方法，其特征在于，步骤4所使用的高功函数金属电极（5）为功函数高于石墨烯费米能级的金属，以及不限于其他功函数高于石墨烯并可以用作电极的材料。
5.根据权利要求3所述的混合石墨烯电极的半导体器件的制造方法，其特征在于，步骤4所述混合石墨烯电极，结构上石墨烯与高功函数金属电极为恰好搭接、部分搭接或完全覆盖。
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