CN117711924A - 一种在金刚石上制备低阻欧姆接触的方法及欧姆接触电极结构 - Google Patents
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Abstract
一种在金刚石上制备低阻欧姆接触的方法及欧姆接触电极结构，本发明是为了解决难以在金刚石尤其是氧终端本征金刚石上制备欧姆接触的问题。制备低阻欧姆接触的方法：一、清洗；二、采用光刻工艺或掩膜工艺对清洗后的金刚石进行电极图案化处理；三、采用真空镀膜工艺依次在图案化处理的金刚石基底上沉积第一接触层、第二接触层和第三接触层；四、在惰性气体氛围中对沉积有电极的金刚石进行高温退火，其中步骤三中第一接触层的材质为ⅢB族到VⅢ族的过渡金属或硅。本发明使用过渡金属作为接触材料通过高温长时间退火在金刚石表面制备了低阻欧姆接触，制备的金属/半导体接触电阻率与势垒极低，极大提高了电接触的导电性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体电子器件领域，具体涉及一种在金刚石上制备低阻欧姆接触的方法。
背景技术
获得高质量的接触是半导体电子设备应用材料开发中最常见的问题之一，电触点的性质直接影响设备的性能，从而决定了其商业重要性。
金属-半导体的接触分为肖特基接触和欧姆接触。肖特基接触在半导体与金属间存在较高势垒，通过此类接触的电流-电压特性是非线性的，呈现出二极管的整流特性，因而又叫整流接触；而欧姆接触为非整流接触，其接触电阻不随电压变化，电流电压特性为线性关系，且阻值与半导体样品或器件相比很小，当有电流流过时，欧姆接触上的电压降远小于样品或器件本身的压降，这种接触不影响器件的电流-电压特性，或者说，电流-电压特性是由样品的电阻或器件的特性决定的。
欧姆接触有两个先决条件：金属和半导体之间具有低势垒或半导体具有重掺杂。由于其惰性、宽带隙，且难以实现高质量的掺杂性能，很难在金刚石上制造出良好的欧姆触点，尤其是n型掺杂与轻掺杂金刚石。但同样，由于这些优异的电性能，金刚石被誉为终极半导体，是第三代半导体的典型代表，因此实现金刚石和金属之间性能良好的欧姆接触是开发高性能金刚石基电子设备的基础。
金刚石中的欧姆接触通常分为三种类型：
(1)使用高功函数金属如Au在具有二维空穴气导电的氢终端金刚石上形成负势垒层。
(2)利用重掺杂金刚石中的高浓度载流子隧穿过狭窄的金半接触势垒，接触金属通常选择成碳金属Ti。
(3)离子轰击、射频溅射等在金刚石表面制备损伤层，或直接沉积类似损伤层结构的类金刚石(DLC)膜、石墨烯等材质做电极。
普遍认为成碳金属Ti退火形成欧姆接触是因为Ti与金刚石在高温下形成了TiC，但早些年Tachibana(Correlation ofthe electricalproperties ofmetal contacts ondiamondfilms withthe chemical nature of the metal-diamondinterface.II.Titanium contacts:A carbide-formingmetal)和Yokoba(Carriertransport mechanism ofOhmic contact top-type diamond)认为Ti-金刚石界面除了有碳化钛生成外，还有一层导电的无定形碳层在形成欧姆接触起到了关键的作用，即损伤层，能够降低金半接触的势垒高度。后来研究人员只关注欧姆接触的性能而忽略了其形成机理，损伤层的概念再没被人提过。
当前金刚石欧姆接触的研究主要还是集中在相对容易的氢终端金刚石与重掺硼金刚石，但前者由于氢终端负电子亲和势造成润湿性较差，因而电极附着力较低容易脱落，实用性不佳；而后者的比接触电阻普遍为10-4Ωcm2，较氢终端欧姆接触高2个数量级，性能一般。以上缺点直接导致欧姆接触的可靠性降低，直接影响器件整体性能，严重限制其应用范围和环境，进而导致金刚石基电子器件的应用范围和可靠性受到限制。
金刚石本身由于其惰性与宽禁带难以制备高质量欧姆接触，氧终端本征金刚石由于其绝缘表面与极少的载流子更是增加了制备低阻欧姆接触的困难，很少被人考虑。而基于氧终端高纯本征金刚石的电子器件如金刚石探测器的核心在于电极/金刚石界面性质，因此本发明的目的在于解决氧终端本征金刚石的低阻欧姆接触。
发明内容
本发明的目的是为了解决难以在金刚石尤其是氧终端本征金刚石上制备欧姆接触的问题，而提供一种使用过渡金属退火在金刚石上制备低阻欧姆接触的方法。
本发明在金刚石上制备低阻欧姆接触的方法按照以下步骤实现：
一、清洗：依次使用去离子水、丙酮和无水乙醇对金刚石样品进行超声清洗，吹干后得到清洗后的金刚石；
二、图案化处理：采用光刻工艺或掩膜工艺对清洗后的金刚石进行电极图案化处理，得到图案化处理的金刚石基底；
三、电极沉积：采用真空镀膜工艺依次在图案化处理的金刚石基底上沉积第一接触层、第二接触层和第三接触层，得到沉积有电极的金刚石；
四、在惰性气体氛围中对沉积有电极的金刚石进行高温退火处理，从而在金刚石上形成低阻欧姆接触；
其中步骤三中第一接触层的材质为ⅢB族(第三副族)到VⅢ族(第八族)的过渡金属或硅，第二接触层的材质为铂，第三接触层的材质为金；
当第一接触层为功函数小于4.33eV的金属材料时，步骤四中以500～800℃的退火温度处理30min～1h；
当第一接触层为功函数大于4.33eV的金属材料或硅时，步骤四中以800～1100℃的退火温度处理2h～10h。
本发明在金刚石上形成的欧姆接触电极结构包括金刚石基底、第一接触层、第二接触层和第三接触层，在金刚石基底上由下至上依次沉积有第一接触层、第二接触层和第三接触层，通过高温退火处理在金刚石基底表面制备得到低阻欧姆接触，其中第一接触层的材质为ⅢB族(第三副族)到VⅢ族(第八族)的过渡金属或硅，第二接触层的材质为用于防止扩散的铂，第三接触层的材质为防止氧化的金。
本发明金刚石欧姆接触电极结构，从下到上包括金刚石材料基底，所述的金刚石材料基底结晶类型为单晶金刚石或多晶金刚石膜，掺杂类型包括但不限于p型的掺硼金刚石、n型的掺磷或掺氮金刚石，终端类型包括但不限于空气自然氧化表面、经过处理的氧终端、氢终端、氟终端等化学终端；第一接触层，所述的第一接触层为IIIB族到VIII族的过渡金属，包括稀土金属Sc、Y、La等，难熔金属Ti、Ta、Mo、W等，磁性金属Fe、Co、Ni等，铂族金属Pt、Ir、Ru等，或硅，其特点是能在高温下与碳通过相互溶解扩散形成固溶体或化学反应成键；位于中间的第二接触层，所述的第二接触层是铂等互扩散性能较差的导电材料，用于防止第一接触层电极扩散至外侧第三接触层；最外层的第三接触层，所述的第三接触层为金等惰性导电材料，用于防止电极氧化造成性能恶化。
本发明所述的退火条件取决于金属活泼性，用金属功函数大小来表示。功函数小于4.33的金属比较活泼，比如ⅢB族(第三副族)、IVB族(第四副族)以及锰Mn的退火温度为500～800℃，退火时间为30min～1h；功函数大于4.33的金属以及硅Si为惰性材料，退火温度为800～1100℃，退火时间4h～10h。本发明通过高温退火使第一接触层的材料与碳通过相互溶解扩散形成固溶体或化学反应成键，该退火工艺与常规退火处理热扩散改善界面接触的作用原理是不同的。
本发明从Ti退火产生可降低势垒的损伤层理论出发，使用过渡金属作为接触材料通过高温长时间退火在金刚石表面制备了低阻欧姆接触。利用ⅢB族到VⅢ族过渡金属对碳的高亲和能，在长时间的高温退火作用下，过渡金属与碳通过相互溶解扩散形成固溶体或化学反应成键，在金刚石表面形成一定深度的损伤层，降低了肖特基势垒，帮助载流子通过。
本发明在金刚石上制备低阻欧姆接触的方法具有普适性，因而不受金刚石的结晶类型、掺杂类型与浓度以及表面终端影响，极大拓宽了金刚石欧姆接触的制备方法条件限制，同时制备的金属/半导体接触电阻率与势垒极低，极大提高了电接触的导电性能，且金属触点结合性能较好，可以保证长时间稳定工作。
附图说明
图1为实施例1中选用Ti/Pt/Au作为欧姆接触电极的电流/电压特性测试图；
图2为实施例2中选用过渡金属铂钌钨铬锆钒分别做欧姆接触电极的电流/电压特性测试图；
图3为实施例2在金刚石上形成的欧姆接触电极结构的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式在金刚石上制备低阻欧姆接触的方法按照以下步骤实现：
一、清洗：依次使用去离子水、丙酮和无水乙醇对金刚石样品进行超声清洗，吹干后得到清洗后的金刚石；
二、图案化处理：采用光刻工艺或掩膜工艺对清洗后的金刚石进行电极图案化处理，得到图案化处理的金刚石基底；
三、电极沉积：采用真空镀膜工艺依次在图案化处理的金刚石基底上沉积第一接触层、第二接触层和第三接触层，得到沉积有电极的金刚石；
四、在惰性气体氛围中对沉积有电极的金刚石进行高温退火处理，从而在金刚石上形成低阻欧姆接触；
其中步骤三中第一接触层的材质为ⅢB族(第三副族)到VⅢ族(第八族)的过渡金属或硅，第二接触层的材质为铂，第三接触层的材质为金；
当第一接触层为功函数小于4.33eV的金属材料时，步骤四中以500～800℃的退火温度处理30min～1h；
当第一接触层为功函数大于4.33eV的金属材料或硅时，步骤四中以800～1100℃的退火温度处理4h～10h。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中依次使用去离子水、丙酮和无水乙醇对金刚石样品分别超声清洗15～30min。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤三中所述的真空镀膜工艺为磁控溅射工艺或者电子束蒸发工艺。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是第一接触层厚度为5～90nm，第二接触层厚度为20～100nm，第三接触层厚度为20～100nm。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤四中当第一接触层为功函数小于4.33eV的金属材料时，步骤四中以700～800℃的退火温度处理30min～1h。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤四中当第一接触层为功函数大于4.33eV的金属材料或硅时，步骤四中以800～1000℃的退火温度处理6h～8h。
具体实施方式七：本实施方式在金刚石上形成的欧姆接触电极结构包括金刚石基底、第一接触层、第二接触层和第三接触层，在金刚石基底上由下至上依次沉积有第一接触层、第二接触层和第三接触层，通过高温退火处理在金刚石基底表面制备得到低阻欧姆接触，其中第一接触层的材质为ⅢB族(第三副族)到VⅢ族(第八族)的过渡金属或硅，第二接触层的材质为用于防止扩散的铂，第三接触层的材质为防止氧化的金。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是所述的金刚石基底为p型的掺硼金刚石或者n型的掺磷或掺氮金刚石。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是所述的金刚石基底带有氧终端、氢终端或者氟终端。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是第一接触层的材质为钛、铂、钌、钨、铬、锆或者钒，第二接触层的材质为铂，第三接触层放入材质为金。
实施例1：本实施例在金刚石上制备低阻欧姆接触的方法按照以下步骤实现：
一、清洗：依次使用去离子水、丙酮和无水乙醇对带有氧终端的单晶金刚石样品进行超声清洗，吹干后得到清洗后的金刚石；
二、图案化处理：采用光刻工艺或掩膜工艺对清洗后的金刚石进行电极图案化处理，得到图案化处理的金刚石基底；
三、电极沉积：采用真空镀膜工艺依次在图案化处理的金刚石基底上沉积第一接触层、第二接触层和第三接触层，得到沉积有电极的金刚石；
四、采用红外真空退火炉，在氩气氛围中对沉积有电极的金刚石进行高温退火，退火温度为800℃，退火时间为30min，从而在金刚石上形成低阻欧姆接触；
其中步骤三中第一接触层为20nm的Ti层，第二接触层的材质为30nm的Pt层，第三接触层为70nm的Au层。
本实施例在金刚石上形成的低阻欧姆接触，其测试的电流/电压特性如附图1所示，由于氧终端本征金刚石载流子极少，所以测试电流较小，但线性特征仍说明其为欧姆接触。
实施例2：本实施例在金刚石上制备低阻欧姆接触的方法按照以下步骤实现：
一、清洗：依次使用去离子水、丙酮和无水乙醇对带有氧终端的单晶金刚石样品进行超声清洗，吹干后得到清洗后的金刚石；
二、图案化处理：采用光刻工艺在清洗后的金刚石表面图案化用于测试比接触电阻的传输线法圆环图案，得到图案化处理的金刚石基底；
三、电极沉积：采用真空镀膜工艺依次在金刚石基底上沉积第一接触层、第二接触层和第三接触层，得到沉积有电极的金刚石；
四、采用红外真空退火炉，在氩气氛围中对沉积有电极的金刚石进行高温退火，退火温度为900℃，退火时间为6h，使用氢等离子体对样品暴露在外的金刚石表面进行氢终端处理，从而在金刚石上形成低阻欧姆接触；
其中步骤三中第一接触层选用了6种过渡金属，分别为40nm的过渡金属Pt层、Ru层、W层、Cr层、Zr层和V层，第二接触层的材质为30nm的Pt层，第三接触层为70nm的Au层。
本实施例在金刚石上形成的欧姆接触电极结构的示意图如图3所示。第一接触层、第二接触层和第三接触层在金刚石基底上表面形成圆环状。
本实施例测试的电流/电压特性如图2所示，在氢终端沟道的作用下，获得了较大的电流，因而电流信噪比较高，测得了精准的比接触电阻，其中Pt电极的比接触电阻是目前所有已发表文献中金刚石欧姆接触中最低的；并使用热电子发射理论根据接触电阻计算了其接触势垒高度，结果如下表1所示。
表1六种过渡金属欧姆接触的比接触电阻与接触势垒高度
Claims (10)
1.在金刚石上制备低阻欧姆接触的方法，其特征在于该制备低阻欧姆接触的方法按照以下步骤实现：
一、清洗：依次使用去离子水、丙酮和无水乙醇对金刚石样品进行超声清洗，吹干后得到清洗后的金刚石；
二、图案化处理：采用光刻工艺或掩膜工艺对清洗后的金刚石进行电极图案化处理，得到图案化处理的金刚石基底；
三、电极沉积：采用真空镀膜工艺依次在图案化处理的金刚石基底上沉积第一接触层、第二接触层和第三接触层，得到沉积有电极的金刚石；
四、在惰性气体氛围中对沉积有电极的金刚石进行高温退火处理，从而在金刚石上形成低阻欧姆接触；
其中步骤三中第一接触层的材质为ⅢB族到VⅢ族的过渡金属或硅，第二接触层的材质为铂，第三接触层的材质为金；
当第一接触层为功函数小于4.33eV的金属材料时，步骤四中以500～800℃的退火温度处理30min～1h；
当第一接触层为功函数大于4.33eV的金属材料或硅时，步骤四中以800～1100℃的退火温度处理2h～10h。
2.根据权利要求1所述的在金刚石上制备低阻欧姆接触的方法，其特征在于步骤一中依次使用去离子水、丙酮和无水乙醇对金刚石样品分别超声清洗15～30min。
3.根据权利要求1所述的在金刚石上制备低阻欧姆接触的方法，其特征在于步骤三中所述的真空镀膜工艺为磁控溅射工艺或者电子束蒸发工艺。
4.根据权利要求1所述的在金刚石上制备低阻欧姆接触的方法，其特征在于第一接触层厚度为5～90nm，第二接触层厚度为20～100nm，第三接触层厚度为20～100nm。
5.根据权利要求1所述的在金刚石上制备低阻欧姆接触的方法，其特征在于步骤四中当第一接触层为功函数小于4.33eV的金属材料时，步骤四中以700～800℃的退火温度处理30min～1h。
6.根据权利要求1所述的在金刚石上制备低阻欧姆接触的方法，其特征在于步骤四中当第一接触层为功函数大于4.33eV的金属材料或硅时，步骤四中以800～1000℃的退火温度处理6h～8h。
7.在金刚石上形成的欧姆接触电极结构，其特征在于在金刚石上形成的欧姆接触电极结构包括金刚石基底、第一接触层、第二接触层和第三接触层，在金刚石基底上由下至上依次沉积有第一接触层、第二接触层和第三接触层，通过高温退火处理在金刚石基底表面制备得到低阻欧姆接触，其中第一接触层的材质为ⅢB族到VⅢ族的过渡金属或硅，第二接触层的材质为铂，第三接触层的材质为金。
8.根据权利要求7所述的在金刚石上形成的欧姆接触电极结构，其特征在于所述的金刚石基底为p型的掺硼金刚石或者n型的掺磷或掺氮金刚石。
9.根据权利要求7所述的在金刚石上形成的欧姆接触电极结构，其特征在于所述的金刚石基底带有氧终端、氢终端或者氟终端。
10.根据权利要求7所述的在金刚石上形成的欧姆接触电极结构，其特征在于第一接触层的材质为钛、铂、钌、钨、铬、锆或者钒。
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| CN202311730172.XA CN117711924A (zh) | 2023-12-15 | 2023-12-15 | 一种在金刚石上制备低阻欧姆接触的方法及欧姆接触电极结构 |
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