一种半金属/半导体肖特基结及其制备方法和肖特基二极管转让专利
申请号 : CN201910237587.0
文献号 : CN109979996B
文献日 : 2022-03-18
发明人 : 芦红 , 丁元丰 , 张克冬
申请人 : 南京大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种半金属/半导体肖特基二极管的制备方法,其特征在于,半金属/半导体肖特基二极管的结构为,底部电极和依次叠层设置的衬底、重掺杂缓冲层、半导体层、半金属层、保护层以及顶部电极,其中,所述底部电极和重掺杂缓冲层之间形成欧姆接触,所述保护层与半金属层之间形成欧姆接触,所述半导体层和半金属层形成所述半金属/半导体肖特基结;形成所述保护层的材料包括金属Al、Mo、W或Ta;采用分子束外延法在衬底上全外延生长得到半金属/半导体肖特基结;具体步骤如下:(1)对(001)晶面的GaAs衬底进行去氧化处理,GaAs衬底的表面温度为600℃,处理时间‑7 ‑8
为15min后,采用分子束外延法,于背景真空度为1×10 ~1×10 torr、580℃条件下,以GaAs衬底为基准,依次外延生长厚度为50‑150nm的GaAs重掺杂缓冲层、厚度为300nm的GaAs浓度梯度层,生长速率为1μm/h,掺杂源为Si,所述GaAs重掺杂缓冲层中掺杂源的含量为1×
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10 cm ,GaAs浓度梯度层中掺杂源的含量为5×10 cm ;
‑7 ‑8
(2)采用分子束外延法,于背景真空度为1×10 ~1×10 torr、580℃条件下,在GaAs浓度梯度层上外延生长GaAs半导体层,GaAs半导体层为掺杂半导体层,掺杂源为Si,掺杂源
17 ‑3
的含量为1×10 cm ,厚度为1‑1000nm,生长速率为0.8‑1.2μm/h;
‑7
(3)以30℃/min的降温速率将所得材料的温度降低到455℃,在背景真空度为1×10‑8
~1×10 torr条件下,采用分子束外延法在所述GaAs半导体层上外延生长ErAs半金属层,厚度为1‑200nm,生长速率为20‑200nm/h;
‑
(4)以30℃/min的降温速率将所得材料的温度降低到50℃,在背景真空度为5×10
10
Torr以下时,采用分子束外延法在ErAs半金属层表面外延生长金属Al保护层,厚度为50‑
100nm,生长速率为20‑200nm/h;
(5)采用光刻法确定电极的位置,刻蚀深度至所得材料的GaAs重掺杂缓冲层;采用蒸镀法在金属Al保护层上制备顶部Au电极,在刻蚀出的GaAs重掺杂缓冲层上制备底部Au电极,形成台面结构,并使底部电极和GaAs重掺杂缓冲层之间形成欧姆接触,得到肖特基二极管。
说明书 :
一种半金属/半导体肖特基结及其制备方法和肖特基二极管
技术领域
背景技术
压特性为
上的外加偏压,k为玻尔兹曼常数,T为温度,A为结面积,A为有效理查逊常数,ΦB为肖特基
势垒。
1/2
子一般大于1.1,噪声等效功率(NEP)一般为几十到几百pW/Hz 量级。因为传统金属和半导
体材料性质上的差异,导致金属和半导体界面的热稳定性较差,容易形成缺陷、发生界面扩
散和界面反应,从而降低了界面质量。
发明内容
于所述半金属/半导体肖特基结的肖特基二极管,理想因子约为1.05,噪声等效功率可降低
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至pW/Hz 甚至亚pW/Hz 量级,具有更灵敏的探测性能。
VA族元素组成的化合物。
几种。
包括P、As、Sb和Bi中的一种或几种。
间形成欧姆接触,所述保护层与半金属层之间形成欧姆接触,所述半导体层和半金属层形
成上述技术方案所述半金属/半导体肖特基结。
族元素组成的化合物(本发明中简称为RE‑VA族化合物)。本发明提供的半金属/半导体肖特
基结采用半金属性质的RE‑VA族化合物替代传统金属,其与形成半导体层的化合物具有较
好的兼容性,晶格失配较小,易于形成低缺陷密度、热稳定性良好的界面;且二者对称性匹
配,RE‑VA族化合物可以浸润(wetting)半导体层的表面,进而形成高质量的半金属/半导体
肖特基结。基于所述半金属/半导体肖特基结的肖特基二极管,理想因子约为1.05,噪声等
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效功率可降低至pW/Hz 甚至亚pW/Hz 量级,具有更灵敏的探测性能。
属/半导体肖特基结,RE‑VA族化合物可以在超高真空条件下原位外延在半导体层上,降低
了界面氧化物形成的可能性,有利于提高界面质量,得到高质量的半金属/半导体肖特基
结;且制备方法操作简单,易于实施。
附图说明
具体实施方式
VA族元素组成的化合物。
Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm、Yb、Lu、Y或Sc,更优选为Er、Gd或Sm;VA族元素优选包括P、As、Sb或Bi,
更优选为As或Sb;具体的,所述RE‑VA族化合物优选包括ErAs、ErSb、GdAs、GdSb、SmAs、SmSb、
HoAs、HoSb、EuAs、EuSb、YbAs或YbSb,更优选为ErAs或ErSb。
杂。
优选包括Al、Ga和In中的一种或几种,VA族元素优选包括P、As、Sb和Bi中的一种或几种,更
优选包括As和/或Sb;具体的,所述IIIA‑VA族化合物优选包括AlAs、AlSb、GaAs、GaSb、InAs
和InSb中的一种,或者包括由至少两种这些化合物(即AlAs、AlSb、GaAs、GaSb、InAs和InSb)
形成的多元化合物或数字合金(digital alloy),具体的如所述多元化合物和数字合金的
化学式可以为In1‑x‑yGaxAlyAs(0
原子层的厚度交替设置,整体可以看作一种具有均匀组分的合金,若AlSb的厚度为a,GaSb
的厚度为b,x=a/(a+b),则其化学式为AlxGa1‑xSb。
或几种,VA族元素优选包括P、As、Sb和Bi中的一种或几种。在本发明中,所述掺杂半导体层
即在非掺杂半导体层基础上掺杂了掺杂源;其中,形成掺杂半导体层的IIIA‑VA族化合物的
具体种类的选择范围优选与形成非掺杂半导体层的IIIA‑VA族化合物一致,在此不再进行
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赘述;所述掺杂半导体层中掺杂源的含量优选不高于1×10 cm 。
外延生长由半导体层和半金属层形成的半金属/半导体肖特基结)。本发明采用全外延的方
法制备半金属/半导体肖特基结,不需要借助其他镀膜技术也不需要样品转移,有利于提高
半金属/半导体肖特基结的界面质量。在本发明中,本领域技术人员可以根据实际需要确定
制备过程中各相关参数,具体的,会结合后续肖特基二极管进行详细说明。
杂缓冲层之间形成欧姆接触,所述保护层与半金属层之间形成欧姆接触,所述半导体层和
半金属层形成上述技术方案所述半金属/半导体肖特基结。
使用前优选进行去氧化处理,所述去氧化处理过程中,衬底的表面温度优选为550~650℃,
去氧化处理的时间优选为10~20min;本发明在高温条件下进行去氧化处理,能够有效去除
衬底表面的氧化物,有利于获得高质量的半金属/半导体肖特基结。
能;同时还能够为半金属/半导体肖特基结的生长提供平整的表面,有利于获得高质量的半
金属/半导体肖特基结。
体材料优选为In0.53Ga0.47As或In0.52Al0.48As。本发明优选根据载流子的类型选择重掺杂缓
冲层中掺杂源的种类,具体的,当载流子为n型(电子)时,掺杂源优选为Si或Te;当载流子为
p型(空穴)时,掺杂源优选为Be或C。在本发明中,所述重掺杂缓冲层中掺杂源的含量优选不
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低于1×10 cm 。
发明中,所述肖特基二极管中的半导体层和半金属层优选与上述技术方案所述半金属/半
导体肖特基结一致,在此不再进行赘述。
层的掺杂源含量,且大于半导体层的掺杂源含量(半导体层的掺杂源含量即为0~1×
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10 cm ),能够起到过渡作用即可;本发明对于所述浓度梯度层的主体材料和掺杂源种类
没有特殊限定,可以与重掺杂缓冲层一致,也可以不一致。
护半金属层不被氧化。
Au、Pt或Ti/Pt/Au复合多层金属材料。
优选<500nm;所述半导体层的厚度优选为1~1000nm;所述半金属层的厚度优选为1~
200nm;所述保护层的厚度优选为50~100nm。
方案所述半金属/半导体肖特基结,所述保护层与半金属层之间形成欧姆接触;采用光刻法
确定电极的位置,刻蚀深度至所得材料的重掺杂缓冲层;采用蒸镀法在保护层上制备顶部
电极;在刻蚀出的重掺杂缓冲层上制备底部电极,形成台面结构,并使底部电极和重掺杂缓
冲层之间形成欧姆接触,得到肖特基二极管。
‑7 ‑10
层的温度独立地优选为500~600℃,背景真空度独立地优选为1×10 ~1×10 torr,生长
速率独立地优选为0.8~1.2μm/h;外延生长所述半导体层的温度优选为500~600℃,背景
‑7 ‑10
真空度优选为1×10 ~1×10 torr,生长速率优选为0.8~1.2μm/h;外延生长所述半金属
‑7 ‑10
层的温度优选为400~500℃,背景真空度优选为1×10 ~1×10 torr,生长速率优选为20
‑10
~200nm/h;外延生长所述保护层的温度优选<100℃,背景真空度优选为5×10 Torr以下,
生长速率优选为20~200nm/h。
子,形成充放电流,进而形成噪声。理想情况下,根据热电子发射理论得到的电压‑电流关系
中,理想因子n=1,类似地,这些缺陷会引入其他形式的电流,如隧穿电流和复合电流,造成
理想因子n>1。而本发明中,半金属/半导体肖特基结中半金属层采用了RE‑VA族化合物,因
其能带发生重叠从而比半导体具有更多的自由电子,具有金属性质,与传统的金属材料(如
Al、Au)相比,RE‑VA族化合物(如ErAs、ErSb、GdAs、SmSb等)为NaCl晶体结构,与IIIA‑VA族化
合物的晶格常数相近[如ErAs 和GaAs ],对称性匹配,浸润性较好,有利
于形成晶格匹配界面清晰的单晶薄膜;传统的金属材料与IIIA‑VA族半导体材料性质差异
较大,多形成岛状的多晶结构,在界面处容易存在互扩散等问题,导致界面质量差;同时,本
发明中RE‑VA族半金属层与IIIA‑VA族半导体层的生长条件的兼容性较好(生长温度约为
‑7 ‑10
400~600℃),采用分子束外延技术,在超高真空(10 ~10 torr)条件下将半金属层原位
外延生长于半导体层上,这种全外延的制备方法可以避免半导体层表面接触空气形成氧化
物,有利于减少界面处的悬挂键、偏析相等缺陷,获得平整的共格界面;而传统的工艺中多
采用非外延手段(如蒸镀、溅射等),界面处会形成很多缺陷,尤其是界面氧化物,导致界面
质量差。
基势垒的能力;另外,通过调节半导体层的组成、终止面的类型(所述终止面指半导体层生
长结束时的原子面,终止面的类型是指其组成和晶面结构)以及半导体层中掺杂源的种类
和浓度等因素,也可以调控肖特基势垒高度,进而能够使肖特基二极管适应不同环境需要。
施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属
于本发明保护的范围。
长速率为1μm/h;
10 ~1×10 torr条件下,采用分子束外延法在所述GaAs半导体层上外延生长ErAs半金属
层,厚度为125nm,生长速率为170nm/h;
10 Torr以下时,采用分子束外延法在ErAs半金属层表面外延生长金属Al保护层,厚度为
80nm,生长速率为160nm/h。
有效的防止ErAs半金属层被氧化;ErAs半金属层和金属Al保护层均为高质量的单晶薄膜。
时间为15min)后,采用分子束外延法,于背景真空度为1×10 ~1×10 torr、580℃条件
下,以GaAs衬底为基准,依次外延生长GaAs重掺杂缓冲层(厚度为100nm)、GaAs浓度梯度层
(厚度为300nm),生长速率为1μm/h,掺杂源为Si,所述GaAs重掺杂缓冲层中掺杂源的含量为
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1×10 cm ,GaAs浓度梯度层中掺杂源的含量为5×10 cm ;
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1×10 cm ),厚度为100nm,生长速率为1μm/h;
10 ~1×10 torr条件下,采用分子束外延法在所述GaAs半导体层上外延生长ErAs半金属
层,厚度为125nm,生长速率为170nm/h;
10 Torr以下时,采用分子束外延法在ErAs半金属层表面外延生长金属Al保护层,厚度为
80nm,生长速率为160nm/h;
底部电极(材质为Au),形成台面结构,并使底部电极和GaAs重掺杂缓冲层之间形成欧姆接
触,得到肖特基二极管。
好,有利于形成晶格匹配界面清晰的单晶薄膜;同时,RE‑VA族半金属层与IIIA‑VA族半导体
层的生长条件的兼容性较好,采用分子束外延技术,在超高真空条件下将半金属层原位外
延生长于半导体层上,可以避免半导体层表面接触空气形成氧化物,有利于减少界面处的
悬挂键、偏析相等缺陷,获得平整的共格界面,界面质量好。因此,本实施例制备的基于所述
半金属/半导体肖特基结的肖特基二极管,理想因子约为1.05,噪声等效功率可降低至pW/
1/2 1/2
Hz 甚至亚pW/Hz 量级,具有更灵敏的探测性能。
视为本发明的保护范围。