一种(100)晶向金刚石n-i-p结二极管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种(100)晶向金刚石n‑i‑p结二极管及其制备方法，解决了传统金刚石p‑i‑n结二极管中n型层欧姆接触电阻率大、i型层质量低的问题，从而提升金刚石功率电子器件的性能和应用前景。一种(100)晶向金刚石n‑i‑p结二极管，其具体结构为：由下至上层叠设置的(100)晶向的本征单晶金刚石衬底、n型金刚石和n型金刚石薄层；在n型金刚石薄层上：一部分为由下至上层叠设置的高导电表面和欧姆电极I，另一部分为由下至上层叠设置的i型金刚石、p型金刚石和欧姆电极II。

A (100) diamond n-i-p junction diode and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种(100)晶向金刚石n-i-p结二极管及其制备方法
本专利技术属于半导体器件
，具体涉及一种(100)晶向金刚石n-i-p结二极管及其制备方法。
技术介绍
近十年中金刚石开关器件主要是基于肖特基结的肖特基二极管。一般来说，肖特基结器件由于开关速度快、通态电压降相对较低而成为具有吸引力的单极器件。但是，在超高压器件这一领域，p-i-n结二极管更具优势，因为其本征层(i层)的厚度可以支撑高电压。作为功率电子器件的一部分，p-i-n二极管是在p型和n型半导体材料之间加入一层低掺杂的本征半导体层而制成的，从低频到高频都有广泛的应用。然而，由于金刚石半导体的n型掺杂技术不成熟，金刚石的p-i-n结二极管还存在许多问题。日本的物质材料研究机构利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)方法，首先在单晶金刚石(111)面上利用磷原子成功实现金刚石单晶薄膜的n型掺杂。在此基础上，他们迅速进行了金刚石p-n结和p-i-n结二极管在发光器件和功率电子器件领域的应用。但是，(111)面存在机械抛光难的问题，并且其金属/金刚石接触界面特性和薄膜的光电特性都比(100)面差。因此，从外延生长和后续器件加工等方面考虑，(100)面是最理想的晶面。然而，目前(100)晶向p-i-n二极管是在p型衬底上生长i型层再生长n型层，存在许多问题。首先，硼原子容易扩散，在i型层生长过程中会影响i型层本征度和晶体质量；其次，(100)晶向n型磷掺杂浓度低，欧姆接触电极难以制备；最后，(100)晶向n型磷掺杂生长表面粗糙，不利于器件加工。>
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种(100)晶向金刚石n-i-p结二极管及其制备方法，以解决传统金刚石p-i-n结二极管中n型层欧姆接触电阻率大、i型层质量低的问题，从而提升金刚石功率电子器件的性能和应用前景。本专利技术采用以下技术方案，一种(100)晶向金刚石n-i-p结二极管，其具体结构为：由下至上层叠设置的(100)晶向的本征单晶金刚石衬底、n型金刚石和n型金刚石薄层；在n型金刚石薄层上：一部分为由下至上层叠设置的高导电表面和欧姆电极I，另一部分为由下至上层叠设置的i型金刚石、p型金刚石和欧姆电极II。进一步的，n型金刚石的掺杂浓度大于1018cm-3，厚度为1-10μm，表面粗糙度小于2nm。进一步的，p型金刚石的掺杂浓度大于1019cm-3，厚度为0.1-2μm。进一步的，欧姆电极I与欧姆电极II为能形成碳化物的单层金属，和具有保护金属的多层金属结构中的任意一种。本专利技术采用的第二种技术方案是，一种(100)晶向金刚石n-i-p结二极管的制作方法，包括以下步骤：步骤一、在(100)晶向的本征单晶金刚石衬底上生长n型金刚石；步骤二、在n型金刚石上生长n型金刚石薄层；对n型金刚石薄层的表面进行氧化处理得到氧终端表面，在超过900℃的温度条件下，对氧终端表面退火超过5min，即得到高导电表面；步骤三、在高导电表面上制备任意形状的欧姆电极I；步骤四、将未覆盖欧姆电极I的高导电表面刻蚀，则裸露出n型金刚石薄层，在裸露出的n型金刚石薄层上依次生长i型金刚石和p型金刚石；步骤五、对p型金刚石的表面氧化处理得到氧终端表面，再制备欧姆电极II，通过退火，形成良好的欧姆接触。进一步的，步骤一中，生长n型金刚石之前，先对本征单晶金刚石衬底进行研磨抛光处理，使其表面粗糙度小于2nm。进一步的，n型金刚石薄层由MPCVD技术对n型金刚石掺磷外延获得，其生长气氛中磷/碳比例大于0.01％，生长厚度为10-100nm。进一步的，步骤二中，制备高导电表面时，其退火氛围为真空、保护气氛或者空气。进一步的，步骤四中，p型金刚石是由MPCVD技术对i型金刚石掺硼获得；步骤五中，采用紫外臭氧处理将p型金刚石的表面氢终端氧化成氧终端。进一步的，对欧姆电极II在400-700℃下退火超过30min。本专利技术的有益效果是：采用n型层上生长i型层的工艺，减少了磷对i型层的扩散影响，从而提高了型层的质量。此外，引入了n型金刚石薄层高导电表面层，从而降低了金属和n型金刚石接触的比接触电阻率，极大地提高了电极欧姆接触特性。【附图说明】图1是本专利技术实施例1中欧姆电极为矩形的金刚石n-i-p二极管结构示意图；图2是本专利技术实施例1中n型金刚石上设置欧姆电极后的侧视图和俯视图；图3是本专利技术实施例1中p型金刚石上设置欧姆电极后的俯视图；图4是本专利技术实施例2中欧姆电极为圆形的金刚石n-i-p二极管结构示意图；图5是本专利技术实施例2中n型金刚石上设置欧姆电极后的中心剖面图和俯视图；图6是本专利技术实施例2中p型金刚石上设置欧姆电极后的俯视图。其中，1.本征单晶金刚石衬底；2.n型金刚石；3.n型金刚石薄层；4.n型金刚石薄层高导电表面；5.n型层欧姆电极；6.i型金刚石；7.p型金刚石；8.p型层欧姆电极。【具体实施方式】下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术提供了一种金刚石n-i-p结二极管，包括层叠设置的本征单晶金刚石衬底1、n型金刚石2、n型金刚石薄层3、i型金刚石6、p型金刚石7，n型金刚石薄层高导电表面4上设置欧姆电极I5，p型金刚石7上设置欧姆电极II8。本征单晶金刚石衬底1可以是高温高压合成衬底，也可以是CVD合成衬底，还可以是自支撑金刚石薄膜，取向均为(100)方向。本征单晶金刚石衬底1的形状为矩形、圆形、椭圆形或者其他形状。n型金刚石2为磷掺杂，通过MPCVD外延技术获得，掺杂浓度大于1018cm-3。n型金刚石2初始生长厚度要求大于20μm，经过研磨抛光处理后，厚度减为1-10μm，表面粗糙度小于2nm。n型金刚石薄层3为磷掺杂，通过MPCVD外延技术获得，其生长气氛中磷/碳比例大于0.01％，生长厚度为10-100nm。n型金刚石薄层3生长结束后，用紫外臭氧处理或者硫酸/硝酸1比1比例250℃下加热1h以上将表面氢终端氧化成氧终端。然后在900℃以上退火5min以上得到n型金刚石薄层高导电表面4，退火可以在真空中进行，也可以在保护气氛或者空气中进行。n型金刚石薄层高导电表面4上的欧姆电极I5可以是Ti、W等能形成碳化物的单层金属，也可是Ti/Au、Ti/Pt/Au等具有保护金属的多层金属结构。保护金属的作用是防止Ti、W等金属的氧化。i型金刚石6的生长是在欧姆电极I5制备好之后才开始的，由MPCVD技术外延获得。生长过程中，未被欧姆电极I5覆盖的区域的n型金刚石薄层高导电表面4会被刻蚀消失。i型金刚石6的厚度为0.1-100μm，生长气氛中O2与H2的比例为0-2％。p型金刚石7为硼掺杂，通过MPCVD技术外延生长实现，掺杂浓度大于1019cm-3，厚度为0.1-2μm。生长结束后，采用紫外臭氧处理将表面氢终端氧化成氧终端。p型金刚石7上的欧姆电极II8可以是Ti、W等能形成碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种(100)晶向金刚石n-i-p结二极管，其特征在于，其具体结构为：/n由下至上层叠设置的(100)晶向的本征单晶金刚石衬底(1)、n型金刚石(2)和n型金刚石薄层(3)；在所述n型金刚石薄层(3)上：一部分为由下至上层叠设置的高导电表面(4)和欧姆电极I(5)，另一部分为由下至上层叠设置的i型金刚石(6)、p型金刚石(7)和欧姆电极II(8)。/n

【技术特征摘要】
1.一种(100)晶向金刚石n-i-p结二极管，其特征在于，其具体结构为：
由下至上层叠设置的(100)晶向的本征单晶金刚石衬底(1)、n型金刚石(2)和n型金刚石薄层(3)；在所述n型金刚石薄层(3)上：一部分为由下至上层叠设置的高导电表面(4)和欧姆电极I(5)，另一部分为由下至上层叠设置的i型金刚石(6)、p型金刚石(7)和欧姆电极II(8)。


2.如权利要求1所述的一种(100)晶向金刚石n-i-p结二极管，其特征在于，所述n型金刚石(2)的掺杂浓度大于1018cm-3，厚度为1-10μm，表面粗糙度小于2nm。


3.如权利要求1或2所述的一种(100)晶向金刚石n-i-p结二极管，其特征在于，所述p型金刚石(7)的掺杂浓度大于1019cm-3，厚度为0.1-2μm。


4.如权利要求1或2所述的一种(100)晶向金刚石n-i-p结二极管，其特征在于，所述欧姆电极I(5)与欧姆电极II(8)为能形成碳化物的单层金属，和具有保护金属的多层金属结构中的任意一种。


5.一种(100)晶向金刚石n-i-p结二极管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在(100)晶向的本征单晶金刚石衬底(1)上生长n型金刚石(2)；
步骤二、在n型金刚石(2)上生长n型金刚石薄层(3)；
对n型金刚石薄层(3)的表面进行氧化处理得到氧终端表面，在超过900℃的温度条件下，对所述氧终端表面退火超...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏兴，刘璋成，赵丹，王娟，邵国庆，易文扬，李奇，王玮，问峰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61