CN207217545U - 一种具有n型导电沟道的半导体器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种具有n型导电沟道的半导体器件，属于半导体器件技术领域，包括衬底，衬底的上表面设有高阻金刚石层，高阻金刚石层的上表面设有具有施主特性且组分缓变的三元化合物形成的第一施主层，在高阻金刚石层与第一施主层的界面处形成一个缓变异质结，在高阻金刚石层一侧，近结处形成二维电子气，利用二维电子气作为n型导电沟道。本实用新型半导体器件利用金刚石材料表面极性键与第一施主层之间的极化作用，产生二维电子气，使载流子与施主原子相分离，不会受到散射的影响而降低迁移率，来实现高迁移率和高载流子浓度的n型沟道。相较于传统的掺杂形式，可使n型金刚石材料沟道内的载流子浓度和迁移率分别达到10¹³cm^‑2和2000cm²/Vs。

Description

一种具有n型导电沟道的半导体器件

技术领域

本实用新型属于半导体器件技术领域，更具体地说，是涉及一种具有n型导电沟道的半导体器件。

背景技术

金刚石作为一种宽禁带半导体材料具有高击穿场、耐辐照、高导热等诸多优良性能，以金刚石材料基础的器件统称为金刚石基器件，金刚石基器件具有工作温度高、击穿场强大、截止频率高、功率密度大等优点，是未来微波大功率器件、电力电子器件以及声表面波等器件的首选。金刚石禁带宽度大，原子结构紧密，目前尚不能进行有效的n型掺杂。现行的制作n型导电沟道的方法是元素掺杂方法，一般采用磷元素进行n型掺杂，这种掺杂的激活效率极低，在磷掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3时，迁移率降为410cm²/Vs。

目前最好报道磷掺杂室温电子迁移率为780cm²/Vs（室温）。这远不能达到金刚石的理论值，发挥出材料本身的优异特性。在这种掺杂方式的基本物理机制为杂质电离释放多余载流子，而在低掺杂浓度下，杂质电离被强烈抑制，激活率极低，在高掺杂浓度下，引入掺杂还会导致较强的电离杂质散射，影响载流子迁移率，使载流子迁移率几乎降至0。这些使得金刚石材料的掺杂问题成为一个世界性的难题，n型掺杂问题不解决就不能形成有效的p-n结，这将极大的限制金刚石半导体器件的发展。因此，实现有效稳定的n沟道，是推进金刚石半导体材料走向应用的主要一步。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种具有n型导电沟道的半导体器件，旨在解决如何使半导体器件n型金刚石材料沟道内的载流子浓度和迁移率分别达到10¹³cm^-2和2000cm²/Vs的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种具有n型导电沟道的半导体器件，包括衬底，所述衬底的上表面设有高阻金刚石层，所述金刚石层的上表面设有具有施主特性且组分缓变的三元化合物形成的第一施主层，在所述金刚石层与第一施主层的界面处形成一个缓变异质结，在金刚石一侧，近结处形成二维电子气，利用二维电子气作为n型导电沟道。

进一步地，所述第一施主层的上表面设有具有施主特性的二元化合物或者单质形成的第二补偿施主层，第二补偿施主层用于为所述缓变异质结中的第一施主层提供补偿电子。

进一步地，所述第一施主层的厚度为1nm-100μm。

进一步地，所述第二补偿施主层的厚度为1nm-100μm。

进一步地，所述衬底的厚度为100μm -1000μm。

进一步地，所述高阻金刚石层的厚度为1μm -1000μm。

进一步地，在所述高阻金刚石层与所述第一施主层之间设有外延金刚石层。

进一步地，所述外延金刚石层厚度为10nm-1μm。

本实用新型提供的半导体器件的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型半导体器件利用金刚石材料表面极性键与第一施主层之间的极化作用，产生二维电子气，使载流子与施主原子相分离，不会受到散射的影响而降低迁移率，同时又利用第二补偿施主层来为第一施主层中的组分源源不断的补偿电子，来实现高迁移率和高载流子浓度的n型沟道。相较于传统的掺杂形式，这种由极化导致的掺杂形式具有较高的体迁移率和稳定的掺杂效率的先天优势，可使n型金刚石材料沟道内的载流子浓度和迁移率分别达到10¹³cm^-2和2000cm²/Vs。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例一所述半导体器件的结构示意图；

图2为本实用新型实施例二所述半导体器件的结构示意图；

图3为本实用新型实施例三所述半导体器件的结构示意图；

图4为本实用新型实施例所述半导体器件的能带原理图；

图中：衬底1、高阻金刚石层2、第一施主层3、二维电子气4、第二补偿施主层5、外延金刚石层6、金刚石层与第一施主层的界面7。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

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。

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个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例一

请参阅图1，现对本实用新型提供的一种具有n型导电沟道的半导体器件进行说明。包括衬底1，衬底1的厚度为100μm -1000μm。衬底1的上表面设有高阻金刚石层2，高阻金刚石层2的厚度为1μm -1000μm，高阻金刚石层2的上表面设有外延金刚石层6，外延金刚石层6厚度为10nm-1μm。外延金刚石层6的上表面设有具有施主特性且组分缓变的三元化合物形成第一施主层3，在外延金刚石层6与第一施主层3的界面处形成一个缓变异质结，在外延金刚石层6一侧，近结处形成二维电子气4，利用二维电子气4作为n型导电沟道；第一施主层3的上表面设有具有施主特性的二元化合物或者单质形成的第二补偿施主层5，第二补偿施主层5用于为缓变异质结中的第一施主层3提供补偿电子。

可利用现有技术中的任意一种方法获得高阻金刚石层2。第一施主层3包括：Mg_xGa_yN_z、Si_xB_yN_z、Mg_xAl_yN_z、Fe_xAl_yN_z、Mg_xGa_yO_z、Fe_xAl_yO_z、Zn_xAl_yO_z、Zn_xMg_yO_z、Mg_xGa_yF_z、Fe_xAl_yF_z、Zn_xAl_yF_z、Zn_xMg_yF_z等任意与金刚石接触可以产生施主特性的氮化物、氧化物、氟化物的三元化合物。其中上述三元化合物的化学式中，从左到右为第一至第三种元素，使用第一种元素替代部分第二种元素，使第一种元素的组分逐渐减少，而第二种元素的组分逐渐增加，上述三元化合物中x+y=a，a为一定值，a和z的值分别与三元化合物中第二种元素以及第三种元素的化合价有关。

第二补偿施主层5中，单质包括：锂（Li）、钠（Na）钙（Ga）、镁(Mg)、钾(K)、硅（Si）、锗(Ge)锌（Zn）、铁(Fe) 等与金刚石接触可以产生施主特性的任意单质；化合物包括与金刚石接触可以产生施主特性的：B_xN_y、Ga_xN_y 、Al_xN_y、Si_xN_y，B_xN_y、Fe_xN_y等氮化物；或Ga_xO_y 、Al_xO_y、Si_xO_y、Zn_xO_y、Fe_xO_y等氧化物；或Zn_xF_y、Ga_xF_y 、Al_xF_y、Si_xF_y，B_xF_y等氟化物。其中上述二元化合物的化学式中，从左到右为第一至第二种元素，x和y的值分别与二元化合物中第一种元素以及第二种元素的化合价有关。第一施主层和第二补偿施主层的厚度为1nm-100μm。需要说明的是，所述第一施主层和第二补偿施主层的厚度比不局限于上述具体数值。

本实用新型半导体器件利用金刚石材料表面极性键与第一施主层之间的极化作用，产生二维电子气，使载流子与施主原子相分离，不会受到散射的影响而降低迁移率，同时又利用第二补偿施主层来为第一施主层中的组分源源不断的补偿电子，来实现高迁移率和高载流子浓度的n型沟道。相较于传统的掺杂形式，这种由极化导致的掺杂形式具有较高的体迁移率和稳定的掺杂效率的先天优势，可使n型金刚石材料沟道内的载流子浓度和迁移率分别达到10¹³cm^-2和2000cm²/Vs。图4是本发明实施例所述半导体器件的能带原理图。图4中金刚石层与第一施主层的界面7的左侧为第一施主层，界面的右侧为金刚石，在金刚石层一侧近结处形成二维电子气4，E_C为导带底，E_F为费米能级， E_V为价带顶。

实施例二

请参阅图2，本实用新型公开了一种具有n型导电沟道的半导体器件，包括钼衬底1，衬底1的厚度为300μm。钼衬底1的上表面设有高阻金刚石层2，利用MPCVD方法生长300μm厚的高阻金刚石层2。高阻金刚石层2的上表面设有外延金刚石层6，利用MPCVD方法沉积500nm高质量金刚石外延膜作为外延金刚石层6，将MPCVD设备抽真空至10^-8mbar，然后通入CH₄和H₂的混合气，其中CH₄流量为1000mL/min，H₂流量为20L/min，反应室压力为100mbar，反应时间5小时，完成外延金刚石层6的沉积。外延生长金刚石层6的方法可以为物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶凝胶、转移等任意薄膜生长方法。在外延金刚石层6的上表面，利用原子层淀积设备进行常温沉积20nm的MgAlN第一施主层3，形成金刚石-MgAlN异质结。在外延金刚石层6一侧，近结处形成二维电子气4，利用二维电子气4作为n型导电沟道。在MgAlN第一施主层3的上表面，利用原子层淀积设备进行常温沉积1μm的AlN 第二补偿施主层5，为金刚石-MgAlN异质结补偿提供电子。

实施例三

请参阅图3，本发明公开了一种具有n型导电沟道的半导体器件，包括高阻金刚石衬底1，衬底1的厚度为800μm。对衬底1的上表面进行抛光处理，抛至表面粗糙度0.5nm，上述抛光处理的方法可以为机械抛光、化学抛光等任意抛光方法。利用氢等离子体将高阻金刚石衬底1在MPCVD设备中进行处理，使其表面具有C-H键，成为氢终端金刚石。在衬底1的上表面沉积第一施主层，利用CVD设备，在600℃温度下沉积50 nm的FeAlO第一施主层3，形成金刚石-FeAlO异质结。在高阻金刚石衬底1一侧，近结处形成二维电子气4，利用二维电子气4作为n型导电沟道。

本实用新型半导体器件利用缓变势垒的第一施主层与金刚石表面形成异质结，利用晶格畸变和极性分子的相互作用在界面处形成导带带阶的突变，电子被从缓变势垒施主层激发，在异质结界面处金刚石侧出现大量的呈准二维分布的自由电子，形成二维电子气。二维电子气被限制在界面处很薄的一层中，并且和电离杂质散射中心在物理位置上分离，从而能够获得非常高的迁移率。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有n型导电沟道的半导体器件，其特征在于：包括衬底，所述衬底的上表面设有高阻金刚石层，所述金刚石层的上表面设有具有施主特性且组分缓变的三元化合物形成的第一施主层，在所述金刚石层与第一施主层的界面处形成一个缓变异质结，在金刚石一侧，近结处形成二维电子气，利用二维电子气作为n型导电沟道。

2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述第一施主层的上表面设有具有施主特性的二元化合物或者单质形成的第二补偿施主层，第二补偿施主层用于为所述缓变异质结中的第一施主层提供补偿电子。

3.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述第一施主层的厚度为1nm-100μm。

4.如权利要求2所述的半导体器件，其特征在于：所述第二补偿施主层的厚度为1nm-100μm。

5.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述衬底的厚度为100μm-1000μm。

6.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述高阻金刚石层的厚度为1μm -1000μm。

7.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：在所述高阻金刚石层与所述第一施主层之间设有外延金刚石层。

8.如权利要求7所述的半导体器件，其特征在于：所述外延金刚石层厚度为10nm-1μm。