一种垂直异质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垂直异质p‑n结结构器件及其制备方法，属于半导体领域，所述垂直异质p‑n结结构器件包括：衬底，第一n型材料层，位于所述第一n型材料层上方的p型材料层，位于所述p型材料层上方的第二n型材料层，分别位于所述第一n型材料层上方、所述p型材料层上方、所述第二n型材料层上方的金属电极；其中，所述p型材料层由所述第一n型材料层生长所得，所述第二n型材料层由所述p型材料层生长所得，生长结束后可获得垂直方向的异质p‑n结，所述的第一n型材料层、p型材料层、第二n型材料层的载流子浓度为1×10

【技术实现步骤摘要】
一种垂直异质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，特别涉及一种垂直异质p-n结结构器件及其制备方法。
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，提供了一种垂直异质p-n结结构器件及其制备方法。该垂直异质p-n结结构器件包括：衬底，位于所述衬底上的第一n型材料层，位于部分所述第一n型材料层上方的p型材料层，位于部分所述p型材料层上方的第二n型材料层；分别位于所述第一n型材料层、p型材料层、第二n型材料层上的金属电极；其中所述第一n型材料层、p型材料层、第二n型材料层的载流子浓度为1×1011～1×1020/cm3。优选的，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、石墨烯衬底或铜镍衬底。优选的，所述第一、第二n型材料层为n型氮化镓层、n型氮化铟、n型氮化铝、n型氮化镓铝或n型氮化镓铟。优选的，所述p型材料层包括p型氧化镓、p型氧化铟、p型氧化铝、p型氧化镓铝或p型氧化镓铟。优选的，所述金属电极厚度为10～200nm；电极材料为金、银、铝、钛、铬、镍、铂及其合金任一种。优选的，所述n型材料层厚度为100nm～8000nm。本专利技术还提供了上述垂直异质p-n结结构器件的制备方法，该方法包括以下步骤：步骤一，在衬底上生长一层n型材料层；该第一n型氮化镓层厚度为8μm；步骤二，热氧化所述第一n型材料层，由上表面往下表面方向扩散生长载流子浓度为1×1011～1×1020/cm3的p型材料层；步骤三，在所述p型材料层的基础上，热氮化所述p型材料层，由上表面往下表面方向扩散生长第二n型材料层；步骤四，刻蚀去除部分表面的第二n型材料层和p型材料层，使所述第一n型材料层的部分上表面露出，以及使所述p型材料层的部分上表面露出；步骤五，在露出的所述第一n型材料层、所述p型材料层与所述第二n型材料层的上表面分别沉积金属电极。优选的，所述衬底包括蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、金刚石衬底、氮化铝衬底、氮化镓衬底、氮化硼衬底、石墨烯衬底、或铜镍衬底。优选的，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。优选的，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。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、生长时间进行调控；所述n型材料层的厚度可通过调节热氮化生长的生长温度、生长时间进行调控。优选的，所述电极采用热蒸发、电子束蒸镀或测控溅射沉积。优选的，用低功函数金属及其合金作为与所述n型材料直接接触的金属；用高功函数金属及其合金作为与所述p型材料直接接触的金属。优选的，所述步骤四中的刻蚀方式为等离子体刻蚀或反应性等离子体刻。本专利技术具有的有益效果：(1)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；通过热氮化方法自p型材料表面向下扩散制备n型材料层，能够在氮含量的环境中完成对选区内部氧原子与氮原子的替换。(2)通过调节热氧化生长的生长温度、生长时间和氧含量来调控p型材料中的掺杂浓度，从而达到调控其电学性能的目的。(3)本专利技术采用扩散方式制备的p-n结，不仅结面平整，而且可以通过调控生长温度、生长时间和氧、氮含量，达到调控p-n结结深与结面大小的目的。(4)本专利技术对设备要求低，生产成本低，p-n结制备效率高。(5)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；(6)通过热氧化与热氮化，可制备n型材料层与p型材料层交错叠加的异质p-n结结构，进一步的扩展了p-n结的制备方法，为例如晶体二极管、晶体三极管、异质场效应晶体管等电子器件的制备提供了新的方法。附图说明图1为本专利技术实例1中垂直异质p-n结结构器件示意图。图2为本专利技术实例1中生长的第一n型氮化镓层示意图。图3为本专利技术实例1中生长的氧化镓层示意图。图4为本专利技术实例1中生长的第二n型氮化镓层示意图。图5为本专利技术实例1中等离子体刻蚀后的示意图。图6为本专利技术实例1中异质晶体三极管示意图。图7为本专利技术实施例2中环形p-n结结构器件示意图。图8为本专利技术实施例2中覆盖掩模层的示意图图9为本专利技术实施例2中生长的氧化镓层示意图。图10为本专利技术实施例2中生长的第二氮化镓层示意图。图11为本专利技术实施例2中可制备的场效应管示意图。衬底1，第一n型材料层2，p型材料层3，第二n型材料层4，金属电极5，金属电极6，金属电极7，掩模层8。具体实施方式下文结合特定实例说明的实施方式，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描述中详述的非限制性实施例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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种垂直异质p-n结结构器件，其特征在于，包括：衬底，衬底上的第一n型材料层，位于部分所述第一n型材料层上方的p型材料层，位于部分所述p型材料层上方的第二n型材料层，分别位于所述第一n型材料层、p型材料层、第二n型材料层上的金属电极；其中，所述p型材料层的载流子浓度为1×10

【技术特征摘要】
1.一种垂直异质p-n结结构器件，其特征在于，包括：衬底，衬底上的第一n型材料层，位于部分所述第一n型材料层上方的p型材料层，位于部分所述p型材料层上方的第二n型材料层，分别位于所述第一n型材料层、p型材料层、第二n型材料层上的金属电极；其中，所述p型材料层的载流子浓度为1×1011～1×1020/cm3。


2.如权利要求1所述的垂直异质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、石墨烯衬底或铜镍衬底。


3.如权利要求1所述的垂直异质p-n结结构器件，其特征在于，所述第一、第二n型材料层为n型氮化镓层、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所述的垂直异质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所述的垂直异质p-n结结构器件，其特征在于，所述金属电极厚度为10～200nm；电极材料为金、银、铝、钛、铬、镍、铂及其合金任一种。


6.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述n型材料层厚度为100nm～8000nm。


7.如权利要求1-6任一项所述的垂直异质p-n结结构器件，其特征在于，所述第一n型材料层与所述p型材料之间、所述p型材料层与所述第二n型材料层之间、所述第一n型材料层与所述p型材料层与所述第二n型材料层之间都形成异质结。


8.如权利要求1-6任一所述的垂直异质p-n结结构器件，其特征在于，所述垂直异质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、光电探测器、或异质场效应晶体管。


9.一种如权利要求1-6任一所述的垂直异质p-n结结构器件的制备方法，其特征在于，该方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：方志来，蒋卓汛，闫春辉，吴征远，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