侧向异质掺杂碳化硅结构的生长方法

摘要

本公开提供了一种侧向异质掺杂碳化硅结构的生长方法，包括：利用第一石墨烯模板与硅源反应生成第一掺杂类型的第一碳化硅结构；在第一碳化硅结构的横向相邻部位，利用第二石墨烯模板与硅源反应生成第二掺杂类型的第二碳化硅结构；其中，第一石墨烯模板和第二石墨烯模板在同一平面的至少在部分区域上互补。本公开可以制备具有侧向pn结构的原子层厚度低维碳化硅半导体材料，且具有简便易行，容易推广等优点，具有较好的推广应用前景。

权利要求

1.一种侧向异质掺杂碳化硅结构的生长方法，包括：利用第一石墨烯模板与硅源反应生成第一掺杂类型的第一碳化硅结构；

在第一碳化硅结构的横向相邻部位，利用第二石墨烯模板与硅源反应生成第二掺杂类型的第二碳化硅结构；

其中，第一石墨烯模板和第二石墨烯模板在同一平面的至少在部分区域上互补；

其中，第一碳化硅结构和第二碳化硅结构依次形成或同时形成。

2.根据权利要求1所述的生长方法，其中：在生成第一掺杂类型的第一碳化硅结构的步骤中：第一石墨烯模板为第一掺杂类型的石墨烯材料；或者第一石墨烯材料为未掺杂的石墨烯材料，在第一碳化硅结构的生成过程中进行了第一掺杂类型的掺杂；

在生成第二掺杂类型的第二碳化硅结构的步骤中：第二石墨烯模板为第二掺杂类型的石墨烯材料；或者第二石墨烯材料为未掺杂的石墨烯材料，在第二碳化硅结构的生成过程中进行了第二掺杂类型的掺杂。

3.根据权利要求1所述的生长方法，所述第一碳化硅结构和第二碳化硅结构依次形成，该生长方法包括：在衬底上制备或转移第一石墨烯模板；

利用该第一石墨烯模板与硅源反应生成第一碳化硅结构；

在衬底上，第一碳化硅结构之间的部位制备或转移第二石墨烯模板；

利用该第二石墨烯模板与硅源反应生成第二碳化硅结构。

4.根据权利要求3所述的生长方法，其中，所述第一石墨烯模板为平行矩形块阵列，矩形块宽度2-10微米，长度1-10毫米，块之间间距2-100微米。

5.根据权利要求3所述的生长方法，其中：所述在衬底上制备第一石墨烯模板的步骤包括：对衬底上的石墨烯层进行图形化，得到第一石墨烯模板；

所述在衬底上，第一碳化硅结构之间的部位制备第二石墨烯模板的步骤之前还包括：清除衬底上第一石墨烯模板中间的，第一碳化硅结构制备过程中伴随生长的硅结构；

所述在衬底上，第一碳化硅结构之间的部位制备第二石墨烯模板的步骤包括：在衬底上制备石墨烯层；对石墨烯层进行图形化，得到第二石墨烯模板；

所述利用该第二石墨烯模板与硅源反应制备第二碳化硅结构的步骤之后还包括：清除制备第二碳化硅结构过程中伴随生成的硅结构。

6.根据权利要求5所述的生长方法，其中：所述对衬底上的石墨烯层进行图形化，得到第一石墨烯模板的步骤中，石墨烯层为原位生长的；或者是通过转移方式转移至衬底表面的；

所述清除衬底上第一石墨烯模板中间的，第一碳化硅结构制备过程中伴随生长的硅结构的步骤包括：将衬底及其上的生成物浸泡在体积比1：1的氢氟酸和浓硝酸的混合溶液5-

10分钟；

所述反应生成第一碳化硅结构和反应生成第二碳化硅结构的步骤中，采用的碳化硅制备工艺为：温度升高到1450℃～1550℃，在氢气氛下保温10～30分钟，所用氢气流量为1～

5slm，所用压力为500～760Torr，并使碳化硅衬底旋转，转速为1-10转/分钟，通入硅源SiH4，流量为100～500sccm。

7.根据权利要求1所述的生长方法，所述第一碳化硅结构和第二碳化硅结构同时形成，该生长方法包括：在衬底上形成第一石墨烯模板和第二石墨烯模板；

通入硅源，第一石墨烯模板与硅源反应生成第一碳化硅结构，第二石墨烯模板与硅源反应生成第二碳化硅结构。

8.根据权利要求7所述的生长方法，所述在衬底上形成第一石墨烯模板和第二石墨烯模板的步骤包括：将第一石墨烯层转移至衬底表面；

对第一石墨烯层进行图形化处理，形成第一石墨烯模板；

将第二石墨烯层转移至衬底表面，其伸入至第一石墨烯模板空隙内的部分构成第二石墨烯模板。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的生长方法，其中，所述第一掺杂类型为p型掺杂和n型掺杂的其中之一；所述第二掺杂类型为p型掺杂和n型掺杂的其中另一。

说明书

侧向异质掺杂碳化硅结构的生长方法

技术领域

[0001] 本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及一种侧向异质掺杂碳化硅结构的生长方法。

背景技术

[0002] 石墨烯是新型二维材料，虽然它可以稳定存在，但其带隙难于打开。如果将之与硅化合形成碳化硅，则可以形成新的低维碳化硅纳米材料。碳化硅是一种宽禁带半导体材料，它的带隙是Si的2-3倍，具有高的临界击穿电场，高载流子饱和浓度以及高热导率的特点，因此，它在高频、微电子器件方面具有潜在的应用价值，并有望与现有的硅基器件相集成，成为下一代半导体的关键基础材料之一。

[0003] 为了形成侧向异质掺杂结构，需要采用区域异质掺杂工艺。一般不能通过扩散的方式制备，目前普通采用区域离子注入的方式制备这种结构，此时需要采用氧化硅掩膜，经图形化之后，注入低能量的掺杂离子。此后，需要进一步通过高温退火来恢复晶格损伤以及激活所注入的离子。虽然注入工艺已经相对成熟，但对原子层厚度的碳化硅结构其注入工艺难度较大，并且有可能因超出了设备能力而不能操作。另外通过注入方法难于获得好的掺杂效果，得到的载流子迁移率较低，这些都降低了区域掺杂的品质，极大地影响了后续的器件性能。

[0004] 公开内容

[0005] (一)要解决的技术问题

[0006] 本公开提供了一种侧向异质掺杂碳化硅结构的生长方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

[0007] (二)技术方案

[0008] 本公开侧向异质掺杂碳化硅结构的生长方法，包括：利用第一石墨烯模板与硅源反应生成第一掺杂类型的第一碳化硅结构；在第一碳化硅结构的横向相邻部位，利用第二石墨烯模板与硅源反应生成第二掺杂类型的第二碳化硅结构；其中，第一石墨烯模板和第二石墨烯模板在同一平面的至少在部分区域上互补。

[0009] 在本公开的一些实施例中，在生成第一掺杂类型的第一碳化硅结构的步骤中：第一石墨烯模板为第一掺杂类型的石墨烯材料；或者第一石墨烯材料为未掺杂的石墨烯材料，在第一碳化硅结构的生成过程中进行了第一掺杂类型的掺杂。在生成第二掺杂类型的第二碳化硅结构的步骤中：第二石墨烯模板为第二掺杂类型的石墨烯材料；或者第二石墨烯材料为未掺杂的石墨烯材料，在第二碳化硅结构的生成过程中进行了第二掺杂类型的掺杂。

[0010] 在本公开的一些实施例中，第一碳化硅结构和第二碳化硅结构依次形成或同时形成。

[0011] 在本公开的一些实施例中，第一碳化硅结构和第二碳化硅结构依次形成，该生长方法包括：在衬底上制备或转移第一石墨烯模板；利用该第一石墨烯模板与硅源反应生成第一碳化硅结构；在衬底上，第一碳化硅结构之间的部位制备或转移第二石墨烯模板；利用该第二石墨烯模板与硅源反应生成第二碳化硅结构。

[0012] 在本公开的一些实施例中，第一石墨烯模板为平行矩形块阵列，矩形块宽度2-10微米，长度1-10毫米，块之间间距2-100微米。

[0013] 在本公开的一些实施例中，在衬底上制备第一石墨烯模板的步骤包括：对衬底上的石墨烯层进行图形化，得到第一石墨烯模板；在衬底上，第一碳化硅结构之间的部位制备第二石墨烯模板的步骤之前还包括：清除衬底上第一石墨烯模板中间的，第一碳化硅结构制备过程中伴随生长的硅结构；在衬底上，第一碳化硅结构之间的部位制备第二石墨烯模板的步骤包括：在衬底上制备石墨烯层；对石墨烯层进行图形化，得到第二石墨烯模板；利用该第二石墨烯模板与硅源反应制备第二碳化硅结构的步骤之后还包括：清除制备第二碳化硅结构过程中伴随生成的硅结构。

[0014] 在本公开的一些实施例中，对衬底上的石墨烯层进行图形化，得到第一石墨烯模板的步骤中，石墨烯层为原位生长的；或者是通过转移方式转移至衬底表面的；清除衬底上第一石墨烯模板中间的，第一碳化硅结构制备过程中伴随生长的硅结构的步骤包括：将衬底及其上的生成物浸泡在体积比1∶1的氢氟酸和浓硝酸的混合溶液5-10分钟；反应生成第一碳化硅结构和反应生成第二碳化硅结构的步骤中，采用的碳化硅制备工艺为：温度升高到1450℃～1550℃，在氢气氛下保温10～30分钟，所用氢气流量为1～5slm，所用压力为500～760Torr，并使碳化硅衬底旋转，转速为1-10转/分钟，通入硅源SiH4，流量为100～500sccm。

[0015] 在本公开的一些实施例中，第一碳化硅结构和第二碳化硅结构同时形成，该生长方法包括：在衬底上形成第一石墨烯模板和第二石墨烯模板；通入硅源，第一石墨烯模板与硅源反应生成第一碳化硅结构，第二石墨烯模板与硅源反应生成第二碳化硅结构。

[0016] 在本公开的一些实施例中，在衬底上形成第一石墨烯模板和第二石墨烯模板的步骤包括：将第一石墨烯层转移至衬底表面；对第一石墨烯层进行图形化处理，形成第一石墨烯模板；将第二石墨烯层转移至衬底表面，其伸入至第一石墨烯模板空隙内的部分构成第二石墨烯模板。

[0017] 在本公开的一些实施例中，第一掺杂类型为p型掺杂和n型掺杂的其中之一；第二掺杂类型为p型掺杂和n型掺杂的其中另一。

[0018] (三)有益效果

[0019] 本公开侧向异质掺杂碳化硅结构的生长方法，在原子层厚度的外延层中实现原位侧向p、n掺杂，不依赖于离子注入，在掺杂方面能够实现后者难于实现的目标，进而达到制备侧向异质掺杂原子层结构的碳化硅结构的目的。

[0020] 此外，与传统方法即经区域离子注入并经高温退火方法相比，本公开可以制备具有侧向pn结构的原子层厚度低维碳化硅半导体材料，且具有简便易行，容易推广等优点，具有较好的推广应用前景。

附图说明

[0021] 图1为根据本公开第一实施例侧向异质掺杂碳化硅结构的生长方法的流程图。

[0022] 图2为图1所示生长方法中执行各步骤后外延材料的剖面示意图。

[0023] 图3为根据本公开第二实施例侧向异质掺杂碳化硅结构的生长方法中执行各步骤后结构的剖面示意图。

具体实施方式

[0024] 本公开中，以石墨烯为模板，使之与硅源化合可以形成原子层厚度的碳化硅层。采用两次图形化工艺，分别将依次制备在碳化硅表面的石墨烯区域化合形成掺杂碳化硅，可以实现侧向异质掺杂碳化硅结构。

[0025] 为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

[0026] 一、第一实施例

[0027] 在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种侧向异质掺杂碳化硅结构的生长方法。本实施例中，采用4英寸n型4H-SiC衬底，衬底外延晶面为硅面(0001)，并朝<11-20>方向偏4度。

[0028] 图1为根据本公开第一实施例侧向异质掺杂碳化硅结构的生长方法的流程图。图2为图1所示生长方法中执行各步骤后外延材料的剖面示意图。如图1和图2所示，本实施例侧向异质掺杂碳化硅结构的生长方法包括：

[0029] 步骤A，对碳化硅衬底进行清洁处理；

[0030] 将4H-SiC用标准RCA清洗工艺清洗干净，并用热氮气吹干，装入外延生长炉中，如图2中(1)所示。

[0031] 步骤B，在碳化硅衬底的晶面上制备p型石墨烯模板；

[0032] 该p型石墨烯模板将在后期用来与硅源气体反应生成p型碳化硅结构。该步骤B具体包括：

[0033] 子步骤B1，在碳化硅衬底的晶面上制备p型石墨烯层；

[0034] 本子步骤中，p型石墨烯层的制备工艺包括：

[0035] 1、准备工序

[0036] 炉温升至1350℃，使4H-SiC衬底随托盘旋转，转速为10转/分钟。通入氢气，流量为10slm，生长室压力为10Torr，保持30分钟，进一步清洗4H-SiC表面，如清除表面残存的SiO2。

[0037] 2、p型石墨烯层的生长工序

[0038] 接着炉温升至1750℃，氢气流量为1slm，并通入硼烷，流量为10sccm。制备持续时间为15分钟。此过程可以制备p型石墨烯层，厚度为1至5原子层，如图2中(2)所示。

[0039] 本实施例中，采用高温热处理由碳化硅表面原位制取石墨烯层，但本公开并不以此为限。在本公开的其他实施例中，还可以采用化学气相沉积方法非原位制取，并采用转移方式附着于碳化硅衬底表面，同样可以实现本公开。

[0040] 子步骤B2，图形化p型石墨烯层，得到碳化硅衬底上的p型石墨烯模板；

[0041] 本步骤中，具体工艺为：采用光刻的方式将图形转移到石墨烯层，用氧等离子体刻蚀石墨烯层，将不需要保留的部分石墨烯清除，得到p型石墨烯模板。所制备的p型石墨烯模板为平行矩形块阵列，矩形块宽度2-10微米，长度1-10毫米，块之间间距2-100微米，如图2中(3)所示。

[0042] 步骤C，通过硅源气体，该硅源气体与碳化硅衬底上的p型石墨烯模板的石墨烯材料反应，生成p型碳化硅结构，并在石墨烯模板的间隙生成硅结构；

[0043] 本步骤中，具体工艺为：温度升高到1450℃～1550℃，在氢气氛下保温10～30分钟，所用氢气流量为1～5slm，所用压力为500～760Torr，并使碳化硅衬底旋转，转速为1-10转/分钟，通入硅源SiH4，流量为100～500sccm。可选地，通入掺杂源，流量为5～10sccm。持续时间为1～5分钟。此过程可以生长p型碳化硅结构，厚度为1至2双原子层，如图2中(4)所示。

[0044] 需要说明的是，本实施例在制备石墨烯模板时，已经实现了p型掺杂，故在本步骤中未进行掺杂，即可得到p型掺杂的第一碳化硅结构。如果在制备石墨烯模板时未进行掺杂，则也可以在本步骤生长过程中进行p型掺杂，同样可以得到p型碳化硅结构。

[0045] 步骤D，去除石墨烯模板之间，碳化硅衬底上p型碳化硅结构过程中伴随生长的硅结构，保留p型碳化硅结构；

[0046] 本步骤中，将碳化硅衬底在氢氟酸和浓硝酸的混合溶液(体积比1∶1)中浸泡5-10分钟，清除硅结构，得到以石墨烯为模板的p型碳化硅结构，如图2中(5)所示。

[0047] 步骤E，在碳化硅衬底的外延晶面上制备第二石墨烯模板；

[0048] 该第二石墨烯模板与以上的第一石墨烯模板互补，将在后期用来与硅源气体反应生成n型碳化硅结构。该步骤E具体包括：

[0049] 子步骤E1，在碳化硅衬底的生长晶面上制备n型石墨烯层；

[0050] 本子步骤与子步骤B1的工艺大体类似，区别在于：制备石墨烯时同时通入n型掺杂源氨气。在本子步骤之后，碳化硅衬底的剖面如图2中(5)所示。

[0051] 子步骤E2，图形化n型石墨烯层，得到碳化硅衬底上的n型掺杂的n型石墨烯模板；

[0052] 本子步骤中，重点是清除p型碳化硅结构上方的石墨烯。在实际操作中，如果n型石墨烯层恰好生长于p型碳化硅结构中间，该步骤也可以省略。在本子步骤之后，碳化硅衬底的剖面如图2中(7)所示。

[0053] 步骤F，通过硅源气体，该硅源气体与碳化硅衬底上的n型石墨烯模板的石墨烯材料反应，制备n型碳化硅结构，如图2中(8)所示。

[0054] 步骤G，清除制备第二碳化硅结构过程中伴随生长的硅结构，获得具有pn结构的原子层厚度低维碳化硅半导体材料。

[0055] 至此，本公开第一实施例介绍完毕。

[0056] 需要说明的是，在与本实施例类似的其他实施例中，也可以将石墨烯层转移到衬底表面，其中，将第一石墨烯层图形化后通入硅源化合形成第一碳化硅层，然后将第二石墨烯层转移到衬底表面，图形化后再次通入硅源化合形成第二碳化硅层，而其他步骤和本实施例相同，同样可以实现本公开。

[0057] 二、第二实施例

[0058] 在本公开的第二个示例性实施例中，提供了另外一种侧向异质掺杂碳化硅结构的生长方法。本实施例中，采用6英寸半绝缘型Si(100)衬底。

[0059] 图3为根据本公开第二实施例侧向异质掺杂碳化硅结构的生长方法中执行各步骤后结构的剖面示意图。请参照图3，本实施例侧向异质掺杂碳化硅结构的生长方法包括：

[0060] 步骤S302，对衬底进行清洁；

[0061] 本步骤中，将衬底用标准RCA清洗工艺清洗干净，在30％浓度的氢氟酸中漂洗，清除原生SiO2层，并用热氮气吹干，衬底的剖面如图3中(1)所示。

[0062] 步骤S304，在衬底的生长面上制备n型石墨烯模板；

[0063] 该步骤具体又可以包括：

[0064] 子步骤S304a，将n型石墨烯层转移到衬底表面；

[0065] 具体地，将厚度为1至5原子层的N型石墨烯层转移至衬底表面，结构的剖面如图3中(2)所示。

[0066] 子步骤S304b，图形化n型石墨烯层，制备n型石墨烯模板；

[0067] 采用光刻的方式将图形转移到石墨烯层，用氧等离子体刻蚀石墨烯层，将不需要保留的部分石墨烯清除，所制备的石墨烯图形为同心圆环阵列，圆环宽度2-10微米，环之间间距2-100微米，阵列覆盖区域直径为5-20毫米，结构的剖面如图3中(3)所示。

[0068] 步骤S306，在衬底的生长面上转移p型石墨烯层；

[0069] 具体地，将厚度为1至5原子层的p型石墨烯层转移至衬底表面，如图3中(4)所示。

[0070] 步骤S308，将衬底装入外延生长炉中，采用高温热处理使硅衬底表面的硅原子同时与n型和p型石墨烯化合形成n型和p型碳化硅结构。

[0071] 本步骤中，其工艺为：温度升高到1150℃～1250℃，在氢气氛下保温10～30分钟，所用氢气流量为1～5slm，所用压力为500～760Torr。最后清除石墨烯层，获得具有pn结结构的原子层厚度低维碳化硅半导体材料，如图3中(5)所示。

[0072] 步骤S310，清除残余的石墨烯材料，得到连续的侧向异质掺杂碳化硅结构，如图3中(6)所示。

[0073] 至此，本公开第二实施例介绍完毕。

[0074] 需要说明的是，在与本实施例类似的其他实施例中，也可以依次将转移到硅衬底表面的n型和p型石墨烯分别图形化，使p型和n型石墨烯条带交替排列，然后通过高温热处理使之化合形成侧向pn结构的碳化硅层，而其他步骤和本实施例相同，同样可以实现本公开。

[0075] 至此，已经结合附图对本公开两个实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

[0076] 依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开侧向异质掺杂碳化硅结构的生长方法有了清楚的认识。

[0077] 综上所述，本公开的生长方法工艺简便易行，成本不高，且可以实现原子层厚度的侧向异质掺杂结构，在制备低维碳化硅半导体材料方面具有很大优势，具有较好的推广应用前景。

[0078] 还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

[0079] 并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

[0080] 除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

[0081] 再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

[0082] 说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

[0083] 此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

[0084] 类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

[0085] 以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。