一种氧化水平异质p-n结结构器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化水平异质p‑n结结构器件及其制备方法，属于半导体器件领域，所述氧化水平异质p‑n结结构器件包括：衬底、n型材料层、嵌入所述n型材料层内部的p型材料层、以及n型材料层和p型材料层上表面上的金属电极。其中，通过在n型材料层上覆盖掩膜层，实现p型材料层的选择性生长，生长结束后可获得水平方向的异质p‑n结结构，所述的p型材料层载流子浓度为1×10

【技术实现步骤摘要】
一种氧化水平异质p-n结结构器件及其制备方法
本专利技术属于半导体领域，特别涉及一种水平异质p-n结结构及其制备方法。
技术介绍
随着半导体行业迅速发展，氧化物半导体p-n结成为了研究的热点。由于氧化物的本征缺陷及制备技术上的限制，稳定的高性能p型空穴导电材料显得稀缺。对多数的氧化物晶体来说，其n型半导体容易形成，通过Si、Sn等原子的掺杂已经实现了对于载流子浓度在一个较大范围内的调控。近期的研究中，p型氧化物材料已成为研究的热点，已初步实现了诸多高质量p型材料的制备。作为p型材料的重要应用之一，p-n结在电子器件领域占据了十分重要的位置，常见的p-n结制备方法有生长法、合金烧结法、离子注入法与扩散法等。生长法是指在生长单晶时，先在半导体中掺入施主型杂质，这样生长出来的部分晶体便是n型，然后再掺入受主型杂质，受主型杂质的浓度要远高于施主型杂质，这样生长出来的部分便是p型晶体。但生长法的缺陷有很多，例如工艺复杂、p-n结面不平整、掺杂控制困难等；合金法是指首先将一种导电类型杂质的合金熔化后渗入到另一种导电类型的半导体中，再通过再结晶形成p-n结。同样合金法也存在缺点，例如p-n结面不平整，结深和结面的大小不易控制等；离子注入法是指将杂质原子首先转换成电离的杂质离子，然后再将其在极强的电场下高速的射向半导体，使之进入半导体内部，达到掺杂的目的。离子注入法虽然克服了前两种方法的缺点，但是其对设备的要求极高，成本高昂，生产效率低；扩散法是目前最常用的一种制造p-n结的方法，是指利用杂质在高温下向半导体内部扩散，使得p型杂质进入n型半导体或n型杂质进入p型半导体来形成p-n结。这种方法不仅能精确控制结深和结面积，还能保持结面平整以及掺杂浓度，但扩散法在制备p-n结时引入的高温可能会造成材料的晶格缺陷增多。这些生长方法中所面临的问题，正是半导体材料研究，特别是半导体p-n结制备相关研究的重点与难点。如何高效、便宜的制备出p-n结面平整、结深和结面大小易控、掺杂浓度易控的p-n结，不仅是氧化物半导体，也是整个半导体行业发展所面临的难题。
技术实现思路
本专利技术旨在解决上述问题，提供了一种水平异质p-n结结构及其制备方法，该水平异质p-n结结构包括：衬底；位于所述衬底上的n型材料层；嵌入所述n型材料层内部的p型材料层；位于所述n型材料层与p型材料层上的金属电极；所述的p型材料层载流子浓度为1×1011～1×1019/cm3。所述水平异质p-n结结构的制备方法包括以下步骤：步骤一，在衬底上生长出n型材料层；步骤二，在n型材料层上，覆盖掩膜物；步骤三，通过热氧化的方法，在n型材料层上未覆盖掩膜物的区域，由上表面往下表面方向扩散生长载流子浓度为1×1011～1×1019/cm3的p型材料层；步骤四，刻蚀去除掩膜物，使n型材料层与p型材料层的上表面露出；步骤五，在露出的n型材料层和p型材料层的上表面沉积金属电极。优选的，所述衬底可以为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、金刚石衬底、氮化铝衬底、氮化镓同质衬底，也可以为氮化硼、石墨烯、铜镍等柔性衬底。优选的，所述n型材料层包括但不限于n型氮化镓、n型氮化铟、n型氮化铝、n型氮化镓铝、n型氮化镓铟等n型III-V族化合物。优选的，所述p型材料层包括p型氧化镓、p型氧化铟、p型氧化钾铝或p型氧化镓铟。优选的，所述n型材料层使用的材料替换为p型材料时，可用于制备异质结。优选的，所述p型材料层是由n型材料层热氧化生长获得，所述p型材料层的载流子浓度为1×1011～1×1019/cm3。优选的，所述p型材料层的厚度可通过调节热氧化生长的生长温度、生长时间和氧含量进行调控。优选的，所述n型材料与所述p型材料之间形成异质p-n结。优选的，所述n型材料层厚度为100nm～5000nm。优选的，所述掩膜物为二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铪、氮化硅中的任一种。优选的，所述掩膜物的沉积方式为电镀、物理气相沉积、溅射、热蒸发、旋涂或原子层沉积。优选的，所述金属电极厚度为10～200nm；金属电极材料为金、银、铝、钛、铬、镍、铂及其合金任一种。优选的，所述刻蚀去除掩膜物的方式为等离子体刻蚀、反应性等离子体刻。优选的，所述金属电极的沉积采用热蒸发、电子束蒸镀或测控溅射沉积；优先选用钛、铝等低功函数金属及其合金作为与n型材料直接接触的金属；优先选用铬、镍等高功函数金属及其合金作为与p型材料直接接触的金属。优选的，所述水平异质p-n结可用于制作自供电探测器、晶体二极管、晶体三极管、异质结场效应管等电子器件。本专利技术具有的有益效果：(1)本专利技术通过掩膜层实现了p型材料的选区域生长。(2)通过热氧化方法自n型材料表面向下扩散制备p型材料层，能够在低氧环境中完成对选区内部氧空位的填补以及对掺杂的激活，从而制备出具有高迁移率、极高载流子浓度的p型材料。(3)通过调节热氧化生长的生长温度、生长时间和氧含量调控p型材料中的掺杂浓度，从而达到调控其电学性能的目的。(4)本专利技术制备的p-n结结面平整，通过控制热氧化生长的生长温度、生长时间可控制p-n结深。(5)本专利技术对设备要求低，生产成本低，p-n结制备效率高。(6)通过采用本专利技术的制备方法，n型材料可推广至III-V族化合物；(7)通过本专利技术的制备方法制备的水平p-n结可进一步制作为自供电光电探测器、晶体二极管、晶体三极管等电子器件。附图说明图1为本专利技术的氧化水平异质p-n结结构器件示意图。图2为本专利技术实例2中生长的氮化镓层示意图。图3为本专利技术实例2中生长的氮化镓层的霍尔测试结果。图4为本专利技术实例2中在n型氮化镓层上沉积掩膜层后的示意图。图5为本专利技术实例2中生长的氧化镓层示意图。图6为本专利技术实例2中去除掩膜层之后的示意图。图7为本专利技术实例2中生长的氧化镓的霍尔测试结果。图8为本专利技术实例2中样品截面透射电子显微镜图与元素分布图。图9为本专利技术实例2中沉积金属电极的示意图。图10为本专利技术实例2中水平异质环形p-n结结构器件示意图。图11为本专利技术实例2中可扩展的器件示意图。图12为本专利技术实例3中异质结场效应晶体管器件示意图。图13为本专利技术实例3中在n型氮化镓层上沉积掩膜层后的示意图。图14为本专利技术实例3中生长的氧化镓层示意图。1衬底，2n型材料层，3掩膜层，4p型材料层，5金属电极，6金属电极，7金属电极。具体实施方式下文结合具体实施例详细阐述本专利技术的方案。此处的实施例及各种特征和有关细节将参考附图中图示以及以下详述的非限制性的描述而进行更完整的解释。省略众所周知的部件和处理技术的描述，以免不必要的使此处的实施例难以理解。此处使用的示例仅仅是为了帮助理解此处的实施例可以被实施的方式，以及进一步使得本领域技术人员能够实施此处的实施例。因而，不应将此处的示例理解为限制此处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化水平异质p-n结结构器件，其特征在于，包括：/n衬底；/n位于所述衬底上的n型材料层；/n嵌入所述n型材料层内部的p型材料层；/n位于所述n型材料层与p型材料层上表面上的金属电极；/n其中，所述的p型材料层载流子浓度为1×10

【技术特征摘要】
1.一种氧化水平异质p-n结结构器件，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底上的n型材料层；
嵌入所述n型材料层内部的p型材料层；
位于所述n型材料层与p型材料层上表面上的金属电极；
其中，所述的p型材料层载流子浓度为1×1011～1×1019/cm3。


2.如权利要求1所述的氧化水平异质p-n结结构器件，其特征在于，所述n型材料层和所述p型材料层在水平方向上交替排布，所述n型材料与所述p型材料之间形成异质p-n结。


3.如权利要求1或2所述的氧化水平异质p-n结结构器件，其特征在于，所述n型材料层为n型氮化镓、n型氮化铟、n型氮化铝、n型氮化镓铝或n型氮化镓铟。


4.如权利要求1或2所述的氧化水平异质p-n结结构器件，其特征在于，所述p型材料层为p型氧化镓、p型氧化铟、p型氧化铝、p型氧化镓铝或p型氧化镓铟。


5.如权利要求1或2所述的氧化水平异质p-n结结构器件，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、金刚石衬底、氮化铝衬底、氮化镓同质衬底，氮化硼衬底、石墨烯衬底或铜镍柔性衬底。


6.如权利要求1或2所述的氧化水平异质p-n结结构器件，其特征在于，所述金属电极的厚度为10～200nm；电极材料为金、银、铝、钛、铬、镍、铂及其合金任一种。


7.如权利要求1或2所述的氧化水平异质p-n结结构器件，其特征在于，所述n型材料层的厚度为100nm～5000nm。


8.如权利要求1或2所述的氧化水平异质p-n结结构器件，其特征在于，所述氧化水平异质p-n结结构器件用于制作自供电探测器、晶体二极管、晶体三极管或异质结场效应管。


9.一种如权利要求1所述的氧化水平异质p-n结结构器件的制备方法，其特征在于，该方...

【专利技术属性】
技术研发人员：方志来，闫春辉，蒋卓汛，吴征远，田朋飞，张国旗，
申请(专利权)人：深圳第三代半导体研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44