一种改善晶格失配的硼铝氮/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改善晶格失配的硼铝氮/氮终端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111面单晶硅衬底；在111面单晶硅衬底上外延生长单晶氮化硼过渡层；在单晶氮化硼过渡层表面生长金刚石外延层；对金刚石外延层表面进行氮终端处理，形成氮终端表面；在氮终端表面上外延生长具有施主杂质掺杂的Al面极性纤维锌矿结构的单晶硼铝氮，形成硼铝氮外延层，以形成硼铝氮/氮终端金刚石二维电子气异质结。本发明专利技术的制备方法突破了高质量金刚石衬底的尺寸限制，有效缓解了金刚石上硼铝氮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，提高了金刚石异质结的质量。结的质量。结的质量。

【技术实现步骤摘要】
一种改善晶格失配的硼铝氮/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
，具体涉及一种改善晶格失配的硼铝氮/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n型体掺杂电离非常困难，而p型面电导则取得了一系列显著的进步，基于金刚石异质结实现二维电子气(2DEG)面电导能够为金刚石n型电导提供新的思路。金刚石基异质结界面的二维电子气可以由势垒层的施主杂质电离来提供电子，也可由类似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电子。这样能够突破金刚石n型体掺杂电离率极低、难以形成室温高电导的关键难题，极大提高金刚石器件的电流密度。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，实际器件制备中，基于二维电子气n型电导的金刚石基异质结需要满足以下条件。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]形成异质结的两种材料还需要形成适合二维电子气输运的带阶，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]综上所述，利用金刚石材料实现n型电导的二维电子气异质结存在以下技术难点。首先，与金刚石组成异质结的材料晶格类型和晶格常数应与金刚石相近，满足两种材料间高质量异质外延的工艺要求；另外，该材料的禁带宽度大于金刚石，以便后续通过异质结界面的带阶调控手段在金刚石界面形成适合二维电子气输运的沟道层；还要求所形成的异质结能通过极化效应或掺杂加电荷转移效应形成一定浓度的二维电子气。
[0008]然而，从制备工艺的角度考虑，首先要选取合适的材料，然后采取适当的条件异质外延，但是，由晶格常数的差异给高质量外延所带来的工艺难度一直是亟需解决的关键科学问题；此外，缺乏合适的手段对新形成的异质结界面实现有效的带阶调控，也需要寻找方法在形成的沟道层实现二维电子气浓度。

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改善晶格失配的硼铝氮/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改善晶格失配的硼铝氮/金刚石二维电子气异质结结构的制备方法，包括以下步骤：
[0011]获取111面单晶硅衬底；
[0012]在所述111面单晶硅衬底上外延生长单晶氮化硼过渡层；所述单晶氮化硼包括：111立方氮化硼、六方氮化硼或者硼面极性的纤维锌矿氮化硼；
[0013]在所述单晶氮化硼过渡层表面生长金刚石外延层；
[0014]对所述金刚石外延层表面进行氮终端处理，形成氮终端表面；
[0015]在本专利技术的一个实施例中，所述氮终端处理采用MBE工艺、RIE工艺或者ICP工艺。
[0016]在所述氮终端表面上外延生长具有施主杂质掺杂的Al面极性纤维锌矿结构的单晶硼铝氮，形成硼铝氮外延层，以形成硼铝氮/氮终端金刚石二维电子气异质结；在硼铝氮生长过程中，通过调控硼源与铝源的比值控制硼铝氮外延层中的硼与铝的组分。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，形成所述硼铝氮外延层过程中以三甲基铝、三甲基硼和氮气作为铝源、硼源与氮源。
[0018]硼铝氮生长过程中加入硅源、氧源或其他适合的施主元素，从而实现n型掺杂的硼铝氮外延层。
[0019]本专利技术实施例的第二方面提供一种改善晶格失配的硼铝氮/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：111面单晶硅衬底、位于所述111面单晶硅衬底上的单晶氮化硼过渡层、位于所述单晶氮化硼过渡层上的金刚石外延层、位于所述金刚石外延层上的氮终端表面和位于所述氮终端表面上的具有施主杂质掺杂的Al面极性纤维锌矿结构的硼铝氮外延层；
[0020]所述单晶氮化硼过渡层的材料包括：111立方氮化硼、六方氮化硼或者硼面极性的纤维锌矿氮化硼。
[0021]本专利技术的有益效果：
[0022]1、基于单晶硅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；
[0023]2、采用单晶氮化硼、金刚石、硼铝氮三层外延层结构，首先利用单晶氮化硼晶格常数与金刚石相近的特点，保证金刚石外延层的质量，同时氮化硼上金刚石外延层的晶格常数发生变化，与硼铝氮的晶格常数差距进一步减小，再结合金刚石表面的氮终端处理，从本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改善晶格失配的硼铝氮/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111面单晶硅衬底；在所述111面单晶硅衬底上外延生长单晶氮化硼过渡层；所述单晶氮化硼包括：111立方氮化硼、六方氮化硼或者硼面极性的纤维锌矿氮化硼；在所述单晶氮化硼过渡层表面生长金刚石外延层；对所述金刚石外延层表面进行氮终端处理，形成氮终端表面；在所述氮终端表面上外延生长具有施主杂质掺杂的Al面极性纤维锌矿结构的单晶硼铝氮，形成硼铝氮外延层，以形成硼铝氮/氮终端金刚石二维电子气异质结；其中，在硼铝氮生长过程中，通过调控硼源与铝源的比值控制硼铝氮外延层中的硼与铝的组分。2.根据权利要求1所述的一种改善晶格失配的硼铝氮/金刚石二维电子气异质结结构的制备方法，其特征在于，所述氮终端处理采用M...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金风，杨智清，苏凯，何琦，任泽阳，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：