一种基于氮面极性硼铝氮材料的金刚石二维电子气异质结结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于氮面极性硼铝氮材料的金刚石二维电子气异质结结构的制备方法，包括以下步骤：获取C面单晶蓝宝石衬底；在C面单晶蓝宝石衬底上外延生长具有施主掺杂的氮面极性纤维锌矿结构的硼铝氮，形成硼铝氮外延层；在硼铝氮生长过程中，通过对硼源与铝源的比值进行调控以控制所述硼铝氮外延层的硼与铝的组分；在硼铝氮外延层上生长金刚石外延层，以形成异质结。本发明专利技术基于蓝宝石衬底材料制作金刚石异质结器件，异质结所需金刚石层由外延生长所得，突破了高质量金刚石衬底的尺寸限制，同时降低了异质结制造成本，提供了获取大尺寸金刚石异质结的有效方法。大尺寸金刚石异质结的有效方法。大尺寸金刚石异质结的有效方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于氮面极性硼铝氮材料的金刚石二维电子气异质结结构及其制备方法


[0001]本专利技术属半导体工艺
，具体涉及一种基于氮面极性硼铝氮材料的金刚石二维电子气异质结结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]金刚石属于新一代的超宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、载流子迁移率高、热导率高等优点，在新一代高压、大功率、耐高温、抗辐照电子器件应用中具有巨大的优势和潜力。制备工艺简单、性能卓越的p/n型电导对于发挥金刚石材料的应用潜力至关重要。与目前使用的大多数半导体材料一样，金刚石必须以某种形式掺杂，以引入密度足够高的可动载流子。然而，金刚石的强共价键和密堆积晶体结构是其优异材料特性的根源，但也导致了其体掺杂的室温激活非常困难。硼作为金刚石p型掺杂中最有希望的受主杂质，仍具有高达0.37eV的激活能，导致室温下能够电离的载流子浓度仅为硼掺杂浓度的千分之几。此外，随着硼掺杂剂浓度的升高，掺杂金刚石的空穴迁移率会显著降低，并且重硼掺杂也会对金刚石晶体质量造成负面影响，从而影响器件性能。而对于n型掺杂金刚石，最常用的施主杂质为磷，其激活能更是高达0.6eV，室温下的载流子电离率更低。当磷的掺杂浓度达到6.8
×
10
16
cm
‑3时，室温下激活的电子浓度仅为10
11
cm
‑3。金刚石半导体掺杂困难的问题严重限制了其在电子器件领域的发展和应用。
[0003]近年来，实验上广泛观察到，氢终端金刚石表面在室温下能表现出p型导电性。将金刚石在氢等离子体中处理之后形成表面由C
‑
H键覆盖的氢终端金刚石表面，暴露在空气中以后，由于转移掺杂作用，能够在金刚石表面下方10nm左右形成一层二维空穴气(2DHG)积累层。2DHG的浓度在10
12
‑
10
14
cm
‑2的数量级，迁移率在几十到200cm2/Vs。基于氢终端金刚石p型电导的场效应晶体管(FET)已经成为金刚石电子器件研究的主流，已经实现最大输出电流密度1.3A/mm，截止频率70GHz，击穿电压2608V，2GHz下的输出功率密度4.2W/mm。
[0004]鉴于金刚石实现n型体掺杂电离非常困难，却能够获得高载流子浓度的p型面电导，以金刚石基异质结结构实现二维电子气(2DEG)面电导能够为金刚石n型电导提供新的思路。在金刚石基异质结中，二维电子气在金刚石中形成，但其电子由非金刚石的势垒层的施主杂质电离来提供，也可由类似极性氮化物异质结的原理，即势垒层极化效应和表面态电离来提供。金刚石基二维电子气异质结能够突破金刚石n型体掺杂电离率极低、难以形成室温高电导的关键难题，大大提高金刚石n型器件的电流密度。已有第一性原理研究表明，通过栅极电压诱导沟道电荷，金刚石/立方氮化硼(c
‑
BN)异质结界面可形成高达5
×
10
12
cm
‑2的二维电子气，可用于制备高性能高电子迁移率晶体管(HEMT)。
[0005]然而，要形成金刚石基二维电子气异质结，仍有一些关键问题需要解决。若以超宽禁带(5.5eV)的金刚石材料作为容纳二维电子气的沟道层，以另一种材料作为势垒层，则势垒层的禁带宽度应大于金刚石的禁带宽度，满足此要求的只有氮化铝(AlN)及氮化硼(BN)等超宽禁带半导体材料。
[0006]金刚石与氮化物势垒层还应能形成适合金刚石层二维电子气的带阶，即在金刚石一侧形成势阱而在势垒层一侧形成势垒；在势垒层掺杂电离提供电子形成二维电子气的情况下，该势垒高度应大于势垒层施主杂质的电离能，令施主杂质能够电离。
[0007]氮化铝属于III
‑
V族化合物，是一种纤锌矿结构化合物半导体，具有大的禁带宽度(6.2eV)、高击穿场强(14MV/cm)和很强的极化效应，很适合用作极性半导体异质结的势垒层；但是其晶格常数和金刚石的晶格常数有一定差异，直接在金刚石上生长氮化铝容易形成晶体缺陷。氮化硼也是一种超宽禁带半导体，具有多种晶体结构，其晶格常数和极化效应可随晶体结构的变化而调整，作为金刚石基异质结的势垒层具有优势。
[0008]然而，若在金刚石上外延氮化硼或氮化铝或者硼铝氮合金外延薄膜来制备金刚石基异质结，一个重要的问题是，即使异质界面能带结构和晶体生长都能保证二维电子气电导形成，在异质结材料上表面制备金半接触、使电极和异质界面的二维电子气形成低阻欧姆接触，都比较困难，因为电极和二维电子气之间隔着超宽禁带的氮化硼或氮化铝或者硼铝氮合金顶势垒层。这使得二维电子气电导的探测和表征分析变得困难。

技术实现思路

[0009]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于氮面极性硼铝氮材料的金刚石二维电子气异质结结构及其制备方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0010]在本专利技术实施例的第一方面提供一种基于氮面极性硼铝氮材料的金刚石二维电子气异质结的制备方法，包括以下步骤：
[0011]获取C面单晶蓝宝石衬底；
[0012]在所述C面单晶蓝宝石衬底上外延生长具有施主掺杂的氮面极性纤维锌矿结构的硼铝氮，形成硼铝氮外延层；其中，通过在硼铝氮生长过程中对硼源与铝源的比值进行调控以控制所述硼铝氮外延层的硼与铝的组分；
[0013]在所述硼铝氮外延层上生长金刚石外延层，以形成异质结。
[0014]本专利技术实施例的第二方面提供一种基于硼铝氮材料的金刚石二维电子气异质结结构，通过本专利技术第一方面提供的制备方法制备得到，包括：C面单晶蓝宝石衬底、位于所述C面单晶蓝宝石衬底上的具有施主掺杂的氮面极性纤维锌矿结构的硼铝氮外延层和位于所述硼铝氮外延层上的金刚石外延层。
[0015]本专利技术的有益效果：
[0016]1、基于蓝宝石衬底材料制作金刚石异质结器件，异质结所需金刚石层由外延生长所得，突破了高质量金刚石衬底的尺寸限制，同时降低了异质结制造成本，提供了获取大尺寸金刚石异质结的有效方法；
[0017]2、通过调节三元化合物组分硼铝氮实现对其晶格常数的调控，减轻其与金刚石的晶格失配率，有效缓解了金刚石在外延过程中的晶格畸变，减少形成的异质结界面处的表面态与悬挂键，提高了异质结界面质量；
[0018]3、采用组分可变的三元化合物硼铝氮实现异质结构，通过改变三元化合物的组分调控材料能带结构，实现异质结界面的带阶调控，产生适合2DEG输运的电子势阱；
[0019]4、将容纳二维电子气面电导的金刚石层作为异质结的顶层，有利于从异质结材料
上表面制备低阻欧姆接触，便于探测分析和利用二维电子气面电导。
[0020]5、可通过金刚石层与具有氮面极性的硼铝氮层之间的极化效应，在异质结的金刚石界面形成2DEG，同时利用具有n型掺杂的硼铝氮外延层与金刚石之间的电荷转移作用，在异质结界面的金刚石界面形成2DEG；还可以结合硼铝氮的组分调控，实现异质结界面的带阶调控，形成利于2DEG输运的电子势阱；
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于氮面极性硼铝氮材料的金刚石二维电子气异质结结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：获取C面单晶蓝宝石衬底；在所述C面单晶蓝宝石衬底上外延生长具有施主掺杂的氮面极性纤维锌矿结构的硼铝氮，形成硼铝氮外延层；在硼铝氮生长过程中，通过对硼源与铝源的比值进行调控以控制所述硼铝氮外延层的硼与铝的组分；在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金风，任泽阳，杨智清，苏凯，何琦，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学芜湖研究院，
类型：发明
国别省市：