[發明專利]一種n－ZnO/p－自支撐金剛石薄膜異質結的制備方法

無效

• 申請號: 200810040045.6
• 申請日: 2008-07-01
• 公開（公告）號: CN101303973A
• 公開（公告）日: 2008-11-12
• 發明（設計）人: 王林軍;黃健;唐可;賴建明;管玉蘭;夏義本
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H01L21/04
• 分類號: H01L21/04
• 代理公司: 上海上大專利事務所（普通合伙）
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發明涉及一種在p型未摻雜自支撐金剛石薄膜上生長n型ZnO薄膜制備異質結的方法，屬于無機非金屬材料器件制造工藝領域。

背景技術

21世紀，光電子技術將在高度信息化社會起到越來越重要的作用，光子集成和光電子集成技術對器件的功率、頻率、工作溫度等提出了更高的要求。傳統的硅器件，在高頻、大功率領域越來越顯示其局限性，且不適宜于高輻射及化學環境惡劣等條件。而金剛石因具有一系列優異的性能，引起微電子技術、光電子技術等領域的廣泛關注，成為新材料研究的熱點之一。

金剛石半導體的禁帶寬度、臨界擊穿電場強度、載流子的飽和漂移速率以及遷移率都很大，介電常數非常小，因此，用金剛石材料制作半導體器件，比其它半導體器件具有顯著的優越性能。這些性能包括開態電阻、結的泄漏造成的功率損耗、熱導、耐輻射強度、高頻特性和高溫特性。用峰值雪崩擊穿電場強度作為臨界參數，評價半導體材料在高功率電子應用中的特性。計算表明，金剛石的開態電阻比硅高幾個數量級，最大工作頻率高20倍，潛在工作溫度達600℃以上。因此金剛石半導體器件可以應用于硅和砷化鎵半導體器件無法應用的高溫、高電壓、強輻射等環境中。

20世紀90年代以前，因為天然及人工合成金剛石昂貴的價格限制了金剛石作為半導體器件材料的應用范圍。近一二十年來，隨著化學氣相沉積(CVD)法合成金剛石薄膜技術和p型摻雜技術取得突破性進展，使人們大規模利用金剛石的愿望得以實現。基于金剛石薄膜的電子器件必將在高溫、高速、高功率和高輻射等硅器件無法應用的場合發揮不可替代的作用。

目前金剛石薄膜p型摻雜的研究已取得一些成果，主要是通過硼摻雜來實現。但是還不能進行有效的n型摻雜，因此不能制作金剛石的pn結。這大大限制了金剛石薄膜在半導體器件方面的廣泛應用。目前金剛石薄膜除了制作無源半導體器件外，只能制作肖特基二極管和場效應晶體管器件。正因為金剛石同質結的制備極端困難，近年來人們一直在尋找合適的異質結來實現金剛石的應用。而ZnO薄膜具有天然的n型導電、寬禁帶，以及較高的熱穩定性和化學穩定性、外延生長溫度低、成本低、容易刻蝕而使后繼工藝更方便等特點，成為與p型金剛石組成異質結的合適材料。

目前國內外ZnO/金剛石薄膜異質結的研究主要采用n型ZnO和p型硼摻雜同質外延單晶或異質外延多晶金剛石搭配。這種結構有二個共同的缺點，第一就是制備成本太高，單晶價格昂貴，多晶金剛石膜需要對粗糙表面進行拋光處理，這是一個極費時費力費錢的過程，也會增加制作成本。第二，由于硼受主激活能較大(370meV)，甚至在高溫下也不能完全激活，不利于器件工作。本發明提出在p型未摻雜自支撐金剛石薄膜上生長高質量ZnO來制備異質結，很好的解決了以上問題，有望促進金剛石薄膜異質結的廣泛應用。

發明內容

本發明的目的是提供一種n-ZnO/p-自支撐金剛石薄膜異質結的制備方法。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案。

一種n-ZnO/p-自支撐金剛石薄膜異質結的制備方法，其特征在于該工藝具有以下的過程和步驟：

1)硅襯底預處理：采用(100)鏡面拋光硅片作為沉積襯底，采用HF酸超聲清洗5～15分鐘，以去除表面的氧化硅層；為了增加納米金剛石薄膜的成核密度，使用100nm粒徑的金剛石粉術對硅襯底機械研磨10～15分鐘；將研磨后的硅片在混有100nm金剛石粉的丙酮溶液中超聲清洗10～20分鐘，最后再將硅片用去離子水和丙酮分別超聲清洗，直至硅片表面潔凈，烘干后放入微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)裝置的反應室內；

2)金剛石薄膜成核過程：先用真空泵對反應室抽真空至5～7Pa，然后用分子泵對反應室抽真空至10^-2Pa以下，通入反應氣體(甲烷與氫氣的混合氣體)，調節甲烷和氫氣的流量分別為40～60標準毫升/分和120～160標準毫升/分；反應室的氣壓設定為0.5～1kPa，襯底偏壓設定為50～150V，襯底溫度控制在620～680℃，微波功率設定為1200～1600W，薄膜成核時間0.5～1小時；

3)金剛石薄膜生長過程：成核完成后，調節甲烷和氫氣的流量分別為40～60標準毫升/分和150～200標準毫升/分；反應室的氣壓設定為4～5kPa，襯底溫度控制在700～750℃，微波功率設定為1600～2000W，薄膜生長時間60～100小時：