CN117594637A - 基于异质结构的金刚石基pn结及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于异质结构的金刚石基PN结及其制备方法，首先对异质衬底进行表面清洁处理；然后在异质衬底上制备金刚石籽晶；将异质衬底置于MPCVD腔体中，通入刻蚀气体和碳源气体，调整外延参数生长多晶金刚石，在生长多晶金刚石的同时伴随碳材料生成，形成多晶金刚石和碳材料交替分布的纳米金刚石层，纳米金刚石层在异质衬底的界面作用下形成异质外延N型纳米金刚石；之后继续外延P型多晶金刚石或者与采用MPCVD工艺制备的P型单晶金刚石键合得到金刚石基PN结。本发明金刚石基PN结制备工艺简单，可靠性好，相比现有材料制成的PN结能够承受更大的电压、产生更小的漏电流，形成更好的导通与截止性质。

Description

基于异质结构的金刚石基PN结及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体工艺技术领域，涉及一种金刚石PN结制备技术，具体涉及一种基于异质结构的金刚石基PN结及其制备方法。
背景技术
PN结是各种半导体器件的基础，如整流二极管、稳压二极管、发光二极管、结型场效应管和绝缘栅场效应管等，其广泛应用了PN结的单向导通性能、击穿特性和光电效应等。在硅基半导体中，PN结受到禁带宽度等材料性质，在高速、高功率器件中已经不能满足性能需求。
金刚石是一种具有宽禁带（~5.5eV）、高热导率（20W/cm·K）、高击穿场强、高化学稳定性的半导体材料。其电子迁移率约是Si的电子迁移率3倍，空穴迁移率则是Si空穴迁移率的4倍。由于其优异的性能，甚至可以应用于高温、辐射等极端环境。在电子器件领域，金刚石将拥有广阔的应用前景。虽然P型金刚石半导体已经较为成熟，但是N型掺杂的缺失使得金刚石PN结迟迟不能实现，作为“终极半导体”的金刚石的优异性质迟迟不能在器件中得到应用。
发明内容
针对以上问题，本发明的提出了一种基于异质结构的金刚石基PN结及其制备方法，具体的说是通过构建异质结构的纳米金刚石形成N型导电，再通过外延P型金刚石或与P型单晶金刚石键合，最终形成金刚石基PN结的步骤实现的。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种异质结构的金刚石PN结，包括异质衬底和依次制备于异质衬底上的纳米金刚石层、P型金刚石，所述纳米金刚石层包括多晶金刚石和分散多晶金刚石之间间隙处的碳材料，多晶金刚石的晶粒尺寸为纳米级，所述异质衬底的晶格常数与多晶金刚石的晶格常数差异不超过25%，异质衬底和纳米金刚石层由于异质接触形成异质外延N型纳米金刚石。
本发明通过多晶金刚石和碳材料混杂创造出相界面，碳材料中至少包括非晶碳、石墨相、石墨烯等。本发明利用异质衬底对纳米金刚石层产生极化作用；利用界面应变和异质衬底的极化作用使得界面处的多晶金刚石产生N型导电性质，提供了较高的电子浓度和一定的电子迁移率。而存在于纳米金刚石间的非晶碳、石墨烯、石墨相等碳材料则促进了结构的电子迁移率，使得本发明的纳米金刚石层同时兼具高电子浓度和高电子迁移率，从而使得PN结能够用于高功率器件。
优选地，所述异质衬底的晶格常数与多晶金刚石的晶格常数差异为5-25%。
优选地，所述碳材料包括非晶碳、石墨烯、石墨相中的任意一种或几种组合。
优选地，所述多晶金刚石的晶畴尺度为5nm~100nm。
另一方面，本发明提供一种所述异质结构的金刚石PN结的制备方法，包括以下步骤：
准备异质衬底；
采用MPCVD工艺，在异质衬底上外延纳米金刚石层，得到异质外延N型纳米金刚石；
制备P型金刚石，将P型金刚石与异质外延N型纳米金刚石一起构成金刚石PN结。
优选地，在异质衬底上外延纳米金刚石层的具体步骤如下：
对异质衬底进行表面清洁处理；
在异质衬底上制备金刚石籽晶；
将异质衬底置于MPCVD腔体中，通入刻蚀气体和碳源气体，调整外延参数生长多晶金刚石，在生长多晶金刚石的同时伴随碳材料生成，形成多晶金刚石和碳材料交替分布的纳米金刚石层，纳米金刚石层在异质衬底的界面作用下形成异质外延N型纳米金刚石。
优选地，制备纳米金刚石层时，外延参数如下：
温度为750~900℃，微波功率为3.7~6.0kW，压强为100~210mbar，刻蚀气体流量为100~1000sccm，碳源气体浓度为2%~10%。
优选地，所述异质衬底包括AlN、Ga2O3、GaN中的任意一种。
优选地，所述P型金刚石采用连续MPCVD工艺制备，具体方法如下：
在MPCVD工艺中，制备纳米金刚石层后，加入硼源气体，继续沉积多晶金刚石，进行硼掺杂，在纳米金刚石层上外延P型多晶金刚石，形成P型金刚石，得到金刚石PN结。
优选地，所述P型金刚石采用非连续工艺制备，具体方法如下：
准备金刚石衬底；
采用MPCVD工艺在金刚石衬底上外延P型单晶金刚石；
去掉金刚石衬底，得到P型金刚石；
将P型金刚石键合在纳米金刚石层上，得到金刚石PN结。
本发明的有益之处是，构建了完全的金刚石基PN结，本发明PN结中异质外延N型纳米金刚石电子迁移率能达到800cm2/V·s以上，同时还能满足电子浓度达到1015-1018cm-3级别。另外由于金刚石的超宽禁带、高击穿场强等性质，使得由金刚石构成的PN结相比现有材料制成的PN结能够承受更大的电压、产生更小的漏电流，形成更好的导通与截止性质。
附图说明
图1为本发明实施例中异质结构的金刚石PN结的结构示意图。
图2为本发明实施例中制备金刚石PN结的流程图。
图3本发明实施例中第一种工艺组装金刚石PN结过程示意图。
图4本发明实施例中第二种工艺组装金刚石PN结过程示意图。
图5为本发明实施例中纳米金刚石层结构示意图。
100-异质外延N型纳米金刚石，110-异质衬底，120-纳米金刚石层，121-多晶金刚石，122-碳材料，200-P型金刚石，210-P型多晶金刚石，220-P型单晶金刚石，221-金刚石衬底。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供一种异质结构的金刚石PN结，包括异质衬底110和依次制备于异质衬底110上的纳米金刚石层120、P型金刚石200，所述纳米金刚石层120包括多晶金刚石121和分散多晶金刚石121之间间隙处的碳材料122，多晶金刚石121的晶粒尺寸为纳米级，所述异质衬底110的晶格常数与多晶金刚石121的晶格常数差异不超过25%，异质衬底110和纳米金刚石层120由于异质接触形成异质外延N型纳米金刚石100。
本发明利用利用界面应变和异质衬底110的极化作用使得界面处的多晶金刚石121产生N型导电性质，提供了较高的电子浓度和一定的电子迁移率。而存在于纳米金刚石间的非晶碳、石墨烯、石墨相等碳材料122则促进了结构的电子迁移率，使得本发明同时兼具高电子浓度和高电子迁移率；从而使得本发明的PN结电性能优异。能够承受更大的电压、产生更小的漏电流，形成更好的导通与截止性质。
在一些实施例中，所述异质衬底110的晶格常数与多晶金刚石121的晶格常数差异为5-25%。本发明利用异质衬底110对表面纳米金刚石的应变作用使得纳米金刚石产生了N型导电，所以选择衬底晶格常数差异在5-25%之间。超过25%外延的多晶金刚石121质量就很差，不利于N型导电，小于5%，产生的界面应变太小，对导电性改变不大。选择合适晶格常数差异，使得容易在异质衬底110上生长出多晶金刚石121，能同时兼具较好导电性和高质量金刚石。
在一些实施例中，所述异质衬底110的晶格常数与多晶金刚石121的晶格常数差异可以进一步优选为5-10%，以提供更好电性能的PN结。
在一些实施例中，所述碳材料122包括非晶碳、石墨烯、石墨相中的任意一种或几种组合，实际上具体类型不限，能够提供良好的电子供体即可。
在一些实施例中，所述多晶金刚石121的晶畴尺度为5nm~100nm，也就是多晶金刚石121的颗粒尺度为5nm~100nm，具体实际应用中可以用等效直径，长度等表征手段表达。
如图2和图5所示，本发明还提供一种异质结构的金刚石PN结的制备方法，包括以下步骤：
S100、准备异质衬底110；
S200、制备异质外延N型纳米金刚石100，采用MPCVD工艺，在异质衬底110上外延纳米金刚石层120，得到异质外延N型纳米金刚石100；
S300、制备P型金刚石200，将P型金刚石200与异质外延N型纳米金刚石100一起构成金刚石PN结。
步骤S100中，异质衬底110厚度根据需要进行选择，一般常用器件，可以选择500nm-1mm。异质衬底110的尺寸根据需要选择，比如进行实验性质的PN结制备，可以选择尺寸为7mm×7mm×0.25mm的异质衬底110。
在一些实施例中，所述异质衬底110包括AlN、Ga2O3、GaN中的任意一种。这些异质衬底110满足上述晶格常数差异要求，也能生长良好性能的多晶金刚石121。
步骤S200中，在异质衬底110上外延纳米金刚石层120的具体步骤如下：
S210、对异质衬底110进行表面清洁处理；
S220、在异质衬底110上制备金刚石籽晶；
S230、将异质衬底110置于MPCVD腔体中，通入刻蚀气体和碳源气体，调整外延参数生长多晶金刚石121，在生长多晶金刚石121的同时伴随碳材料122生成，形成多晶金刚石121和碳材料122交替分布的纳米金刚石层120，如图5所示，纳米金刚石层120在异质衬底110的界面作用下形成异质外延N型纳米金刚石100。
在步骤S210中，对异质衬底110进行表面清洁处理包括酸处理、有机溶剂清洗、去离子水清洗和干燥。所述酸处理包括硫酸加热处理、盐酸加热处理，等强酸腐蚀处理。所述有机溶剂清洗包括丙酮、无水乙醇等清洗，所述干燥包括用氮气吹干等常温快速干燥。
上述清洗处理酸处理是必须以外，其他根据清洁程度选择，当清洁程度满足要求时无需进行，如果不满足要求，可以增加清洗次数或者更好清洗液。
本发明提供一种可操作性的示例性说明如下：
将异质衬底110放入浓硫酸溶液煮30分钟；再依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水，各超声15分钟，最后用氮气吹干。
在步骤S220中，所述金刚石籽晶通过超声波技术打入异质衬底110表面内。所述金刚石籽晶的颗粒尺寸级别为微米级，具体操作方式是将金刚石籽晶置于异质衬底110表面，以空气或者液体作为介质，采用超声波正对异质衬底110产生高频振动，使产生朝向金刚石的力，使得金刚石籽晶嵌入异质衬底110表面内。
在步骤S230中，制备的纳米金刚石层120厚度根据器件类型进行选择，一般可以选择10~200nm。
外延多晶金刚石121时，所述刻蚀气体包括氢气、氢气-氩气混合气体。
所述碳源气体包括甲烷、乙醇蒸汽、丙酮蒸汽和二氧化碳中的任意一种。
以氢气作为刻蚀气体，以甲烷作为碳源气体，本发明提供一种可操作性的外延参数如下：
MPCVD工艺在温度为750~900℃，微波功率为3.7~6.0kW，压强为100~210mbar，氢气流量为100~1000sccm，碳源浓度为2%~10%。
在步骤S300中，P型金刚石200有两种工艺路线，第一种工艺路线是连续法，在外延纳米金刚石层120的基础上不停止，继续外延P型金刚石200形成金刚石PN结；第二种工艺路线是分开制作键合法，单独制备P型金刚石200，然后将P型金刚石200通过键合的方式与纳米金刚石层120相连构成PN结，此种方式中P型金刚石200的制备方法不受限制。
对于第一种工艺路线，如图3所示，本发明提供一种优选方式，具体如下：
制备异质外延N型纳米金刚石100的MPCVD工艺中，如图3中a所示，在异质衬底110上外延纳米金刚石层120后，加入硼源气体，继续进行硼掺杂沉积多晶金刚石121，在纳米金刚石层120上外延P型多晶金刚石210，形成P型金刚石200，如图3中b所示，得到金刚石PN结。
在本发明实施例中，硼源气体包括但不限于乙硼烷、三甲基硼。碳源气体、刻蚀气体可以与外延异质外延N型纳米金刚石100中纳米金刚石层120相同，也可以不同。
本发明以氢气和氩气作为刻蚀气体，以乙硼烷作为硼源气体，以甲烷作为碳源气体，提供一种示例性工艺参数如下：
调整外延工艺，温度为700~800℃，在8%的甲烷浓度，乙硼烷的流量0.4~2sccm，沉积气压为140~210mbar，微波功率为2.5~6.0kW，氢气和氩气的流量比为10:89。
对于第二种工艺路线，本发明提供一种优选方式，如图4所示，图4中a和第一种工艺相同；采用MPCVD工艺制备硼掺杂的P型单晶金刚石220，具体如下：
S321、准备金刚石衬底221（单晶衬底）；
S322、采用MPCVD工艺在金刚石衬底221上外延P型单晶金刚石220，如图4中b所示；
S323、去掉金刚石衬底221，得到P型金刚石200，如图4中c所示；
S324、将P型金刚石200键合在纳米金刚石层120上，得到金刚石PN结，如图4中d所示。
步骤S321中，金刚石衬底221为单晶金刚石，尺寸一般应该与异质衬底110相同或者比异质衬底110，比如可以采用5mm×5mm×0.25mm的尺寸，表面品质不好时需要进行表面清洁处理，表面清洁处理包括酸处理、有机溶剂清洗、去离子水清洗和干燥。所述酸处理包括硫酸加热处理、盐酸加热处理，等强酸腐蚀处理。所述有机溶剂清洗包括丙酮、无水乙醇等清洗，所述干燥包括用氮气吹干等常温快速干燥。
上述清洗处理酸处理是必须以外，其他根据清洁程度选择，当清洁程度满足要求时无需进行，如果不满足要求，可以增加清洗次数或者更好清洗液。
本发明提供一种可操作性的示例性说明如下：
将异质衬底110放入浓硫酸溶液煮30分钟；再依次方法丙酮、无水乙醇、去离子水，各超声15分钟，最后用氮气吹干。
步骤S322中，采用MPCVD工艺在金刚石衬底221上外延P型单晶金刚石220的具体方法如下：
将金刚石衬底221置于MPCVD腔体中，通入刻蚀气体、碳源气体和硼源气体，调整工艺参数，在金刚石衬底221上外延P型单晶金刚石220，P型单晶金刚石220的厚度根据需要选择，本发明提供一种示例性的厚度，比如10~50nm。
本发明以氢气作为刻蚀气体，以乙硼烷作为硼源气体，以甲烷作为碳源气体，提供一种示例性工艺参数如下：
温度800~900℃，微波功率为3.7~6.0kW，压强为140~210mbar，氢气流量为200~550sccm，乙硼烷气体流量为0.4sccm甲烷浓度为2%~10%。
步骤S323中，去掉金刚石衬底221的方式不限，比如可以采用反应离子刻蚀、溅射刻蚀和等离子刻蚀等方式切掉金刚石衬底221，一般来说，切掉金刚石衬底221后，还需要对P型单晶金刚石220背面采用包括但不限于CMP工艺进行抛光，以得到所需的P型金刚石200。
步骤S324中，键合采用现有技术中工艺即可，本发明提供一种示例性方式，将异质外延N型纳米金刚石100和P型单晶金刚石220在氩离子轰击下，去除表面污染和氧化膜，在高真空环境下（<10-5Pa），施加一定压力，使二者紧密接触，完成键合，此处以表明活化键合为例，但不仅限于。
需要说明的是，键合后一般情况下还需要执行退火操作。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种异质结构的金刚石PN结，其特征在于，包括异质衬底和依次制备于异质衬底上的纳米金刚石层、P型金刚石，所述纳米金刚石层包括多晶金刚石和分散多晶金刚石之间间隙处的碳材料，多晶金刚石的晶粒尺寸为纳米级，所述异质衬底的晶格常数与多晶金刚石的晶格常数差异不超过25%，异质衬底和纳米金刚石层由于异质接触形成异质外延N型纳米金刚石。
2.根据权利要求1所述异质结构的金刚石PN结，其特征在于：所述异质衬底的晶格常数与多晶金刚石的晶格常数差异为5-25%。
3.根据权利要求1所述异质结构的金刚石PN结，其特征在于：所述碳材料包括非晶碳、石墨烯、石墨相中的任意一种或几种组合。
4.根据权利要求1所述异质结构的金刚石PN结，其特征在于：所述多晶金刚石的晶畴尺度为5nm~100nm。
5.一种权利要求1-4任意一项所述异质结构的金刚石PN结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
准备异质衬底；
采用MPCVD工艺，在异质衬底上外延纳米金刚石层，得到异质外延N型纳米金刚石；
制备P型金刚石，将P型金刚石与异质外延N型纳米金刚石一起构成金刚石PN结。
6.根据权利要求5所述异质结构的金刚石PN结的制备方法，其特征在于，在异质衬底上外延纳米金刚石层的具体步骤如下：
对异质衬底进行表面清洁处理；
在异质衬底上制备金刚石籽晶；
将异质衬底置于MPCVD腔体中，通入刻蚀气体和碳源气体，调整外延参数生长多晶金刚石，在生长多晶金刚石的同时伴随碳材料生成，形成多晶金刚石和碳材料交替分布的纳米金刚石层，纳米金刚石层在异质衬底的界面作用下形成异质外延N型纳米金刚石。
7.根据权利要求6所述异质结构的金刚石PN结的制备方法，其特征在于，制备纳米金刚石层时，外延参数如下：
温度为750~900℃，微波功率为3.7~6.0kW，压强为100~210mbar，刻蚀气体流量为100~1000sccm，碳源气体浓度为2%~10%。
8.根据权利要求6所述异质结构的金刚石PN结的制备方法，其特征在于，所述异质衬底包括AlN、Ga2O3、GaN中的任意一种。
9.根据权利要求6所述异质结构的金刚石PN结的制备方法，其特征在于，所述P型金刚石采用连续MPCVD工艺制备，具体方法如下：
在MPCVD工艺中，制备纳米金刚石层后，加入硼源气体，继续沉积多晶金刚石，进行硼掺杂，在纳米金刚石层上外延P型多晶金刚石，形成P型金刚石，得到金刚石PN结。
10.根据权利要求6所述异质结构的金刚石PN结的制备方法，其特征在于，所述P型金刚石采用非连续工艺制备，具体方法如下：
准备金刚石衬底；
采用MPCVD工艺在金刚石衬底上外延P型单晶金刚石；
去掉金刚石衬底，得到P型金刚石；
将P型金刚石键合在纳米金刚石层上，得到金刚石PN结。
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