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CN115160025B - 一种制备基于金刚石表面终端的异质结的方法 - Google Patents

一种制备基于金刚石表面终端的异质结的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备基于金刚石表面终端的异质结的方法。该方法先在衬底上形成金刚石层；再在金刚石层上形成第一绝缘层；然后穿过第一绝缘层在金刚石层的表面通过插层形成表面终端；最后在第一绝缘层上形成第二绝缘层。本发明提供的基于金刚石表面终端的异质结的制备方法通过结构和工艺的设计创新，能够规避现有表面终端技术通常面临的杂质吸附、终端损伤等问题，实现优质异质结界面，促进更广泛的异质结组合构建，进而充分发挥表面终端对于能带的调制作用，通过异质结能带设计构筑高性能电子器件。

Description

一种制备基于金刚石表面终端的异质结的方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种制备基于金刚石表面终端的异质结的方法。
背景技术
金刚石因其超宽禁带、高热导率特性，在功率器件等方面具有巨大的应用潜力。但是由于尚未找到晶格、能带匹配的材料形成异质结，其潜力的发挥仍受着严重制约。
目前仅通过表面终端技术实现对金刚石能带的调制，如通过金刚石氢终端制备实现负电子亲和势，但终端制备后其表面极易吸附空气中的各种杂质，并且在后续外延中工艺过程也会对表面终端造成不同程度的损伤，这些问题都严重影响着异质结质量，使其性能无法充分发挥。
如能通过方法创新规避现有难题，金刚石表面终端技术将能充分发挥其对于能带的调制作用，进而实现特定的势阱设计乃至界面二维载流子气，用于构筑新型功率、传感、逻辑等电子器件，将有利于高性能元器件的革新，对电子技术的进一步发展起重要推动作用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种制备基于金刚石表面终端的异质结的方法，以规避现有表面终端技术中通常面临的杂质吸附、终端损伤等技术问题，实现优质异质结界面，促进更广泛的异质结组合构建。
为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：
一种制备基于金刚石表面终端的异质结的方法，先在衬底上形成金刚石层；再在金刚石层上形成第一绝缘层；然后穿过第一绝缘层在金刚石层的表面通过插层形成表面终端；最后在第一绝缘层上形成第二绝缘层。
作为改进的是，所述第一绝缘层与金刚石层之间化学键作用较弱或无化学键作用。
作为改进的是，所述的第一绝缘层的厚度小于5nm，容许粒子穿透，进而插层形成表面终端。
作为改进的是，所述表面终端为氢终端、氧终端、或，氟终端中的一种或多种组合。
作为改进的是，所述表面终端通过微波等离子体处理，粒子穿透重组，自由基辐照，电化学反应，或气体氛围退火中的一种或多种组合方法在第一绝缘层与金刚石层之间插层形成。
作为改进的是，所述第一绝缘层/第二绝缘层的形成方法为外延法或机械剥离法直接形成于金刚石层/第一绝缘层上，或者，通过外延法或机械剥离法形成于新取用的衬底上，再通过干法或湿法转移至金刚石层/第一绝缘层上。
作为改进的是，所述的第二绝缘层的厚度为1nm-50μm，所述第二绝缘层为单种材料形成的第二绝缘层或不同种材料无特定顺序的采用叠加的方式形成组合状的第二绝缘层。
作为改进的是，所述金刚石层的厚度范围1nm-500μm，杂质浓度小于1ppm。
作为改进的是，所述金刚石层的形成方法为使用高温高压法、化学气相沉积法、或相变法直接在衬底上形成；或通过高温高压法、化学气相沉积法、或相变法形成于新取用的衬底上，再通过干法或湿法转移技术转移至衬底上。
有益效果：
与现有技术相比，本发明一种制备基于金刚石表面终端的异质结的方法，具有如下优势：
（1）本发明提供的基于金刚石表面终端的异质结，由于表面终端是通过在第一绝缘层与金刚石层之间插层形成的，表面终端与第一绝缘层间不存在杂质，能够形成更优质的异质结界面，从而充分发挥表面终端技术其对于金刚石能带的调制作用，进而实现特定的势阱设计乃至界面二维载流子气，用于构筑高性能新型功率、传感、逻辑等电子器件；
（2）本发明通过原理创新，能够从根本上规避表面终端形成后的杂质吸附，同时能够避免吸附杂质清理、外延等工艺过程直接接触表面终端，从而规避表面终端损伤，因此，有利于形成更纯净的异质结界面；
（3）此外，通过第二绝缘层的拓展，可突破传统技术限制，在实现优质异质结界面的同时，能够相对独立地选择各式各样的第二绝缘层材料与结构，促进更广泛的异质结组合构建，大幅开拓异质结界面与能带的设计空间。
附图说明
图1为本发明基于金刚石表面终端的异质结的结构示意图；11-衬底；21-金刚石层；22-表面终端；31-第一绝缘层；32-第二绝缘层；
图2为本发明基于金刚石表面终端异质结的制备方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供的基于金刚石表面终端的异质结能够规避现有表面终端技术中通常面临的杂质吸附、终端损伤等技术问题，实现优质异质结界面，促进更广泛的异质结组合构建，用于构筑新型高性能电子器件。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，并参照附图进一步详细说明。
一种基于金刚石表面终端的异质结，其结构如图1所示，首先在衬底上11形成金刚石层21；再在金刚石层21上形成第一绝缘层31，然后穿过第一绝缘层31在金刚石层21的表面通过插层形成表面终端22；最后在在第一绝缘层31上形成第二绝缘层32。
制备步骤，包括以下步骤：
步骤A，在衬底上11形成金刚石层21，具体的形成方法包括：使用高温高压法、化学气相沉积法、相变法等方法直接在衬底11上形成；或使用高温高压法、化学气相沉积法、相变法等方法形成于其它衬底，再通过干法或湿法转移技术将金刚石层21转移至衬底11上；
优选地，所述金刚石层21的厚度范围1nm~500μm，杂质浓度小于1ppm。金刚石层21纯净无掺杂，有利于降低缺陷，从而促进高质量异质结界面的实现。由于异质结的核心功能仅由界面附近的金刚石层21、表面终端层22、第一绝缘层31、第二绝缘层32决定，因此衬底11在本异质结中选择相对灵活。
进一步优选地，选用硅等已有成熟大尺寸晶元的材料作为衬底起支撑作用，以弥补金刚石层21因高应力难以实现大面积自支撑的缺陷。
步骤B，在金刚石层21上形成第一绝缘层31，具体包括使用外延法或机械剥离法等方法直接在目标金刚石层21上形成；或使用外延法或机械剥离法等方法形成于其它衬底，再通过干法或湿法转移技术将第一绝缘层31转移至目标金刚石层21上。
优选地，第一绝缘层31与金刚石层21间化学键作用较弱或无化学键作用。
进一步优选地，通过范德华外延法直接在目标金刚石层21上形成第一绝缘层31，可以使第一绝缘层31与金刚石层21间几乎无化学键作用，利于插层形成表面终端22；
优选地，第一绝缘层31的厚度小于5nm，能够容许粒子穿透，进而插层形成表面终端22。
进一步优选地，第一绝缘层31为厚度小于5nm的二维层状材料单晶。超薄的二维层状材料利于粒子穿透，并由于其无悬挂键特性而无法与金刚石表面终端形成化学键，进而利于插层形成表面终端22。
步骤C，在第一绝缘层31与金刚石层21之间，插层形成表面终端22，具体的形成方法为微波等离子体处理（如氢、氧、氟等离子体）、粒子穿透重组、自由基辐照、电化学反应、气体氛围退火等的一种或多种组合；
优选地，表面终端22为氢终端、氧终端、或，氟终端中的一种或多种组合；其中，表面终端22与第一绝缘层31之间界面杂质浓度可小于1ppm。
步骤D，在第一绝缘层31上形成第二绝缘层32，具体为使用外延法或机械剥离法等方法直接在第一绝缘层31上形成；或使用外延法或机械剥离法等方法形成于其它衬底，再通过干法或湿法转移技术将第二绝缘层32转移至第一绝缘层31上。通过第二绝缘层32的拓展，可突破传统技术限制，提升工艺兼容性，在保护表面终端22完整的前提下，实现优质异质结界面与更广泛的异质结组合构建。
由于第二绝缘层32是在第一绝缘层31上形成的。在第二绝缘层32的制备过程中，表面终端22将受到第一绝缘层31的保护。因此，可以大幅提升工艺兼容性，突破传统技术限制，实现优质异质结界面，促进更广泛的异质结组合构建，大幅开拓异质结界面与能带的设计空间。
优选地，第二绝缘层32的厚度为1nm-50μm，所述第二绝缘层32为单种材料形成的第二绝缘层或不同种材料无特定顺序的采用叠加的方式形成组合状的第二绝缘层，所述第二绝缘层32的结构可与第一绝缘层完全相同或不同。可以使异质结界面远离上表面实现电荷空间分离，与第一绝缘层同种材料的参与有利于异质结的稳定，另外，多种材料组合形成的多层复合结构将为异质结能带带来更广阔的设计空间。
本发明提供的基于金刚石表面终端的异质结，能够形成更优质的异质结界面，从而充分发挥表面终端技术其对于金刚石能带的调制作用，进而实现特定的势阱设计乃至界面二维载流子气，用于构筑高性能新型功率、传感、逻辑等电子器件。
本发明实施例提供的基于金刚石表面终端的异质结的制备方法，通过原理创新，能够从根本上规避表面终端形成后的杂质吸附，同时能够避免吸附杂质清理、外延等工艺过程直接接触表面终端，从而规避表面终端损伤，因此有利于形成更纯净的异质结界面。
实施例1
一种制备基于金刚石表面终端的异质结的方法，具体包括以下步骤：
步骤a，在300μm厚的氮掺杂金刚石衬底上，利用微波等离子体化学气相沉积法生长200μm的金刚石层（如图2（a）所示），杂质浓度小于1ppm。
步骤b，在真空氛围中，利用300 eV离子束轰击获得清洁的金刚石层表面，利用1000 eV离子束轰击高纯氮化硼靶材，通过溅射沉积（范德华外延法）在金刚石层上（1000℃）原位制备厚度为2nm的氮化硼多晶（如图2（b）所示）。溅射沉积（范德华外延法）制备的2nm氮化硼多晶与金刚石层间无化学键作用，能够有利于氢等离子体的穿透。在洁净的金刚石层表面原位制备氮化硼，再通过插层形成表面氢终端，由于工序上清洁表面处理与氮化硼外延是在氢终端形成之前完成，因此可规避传统工序中外延工艺对于表面终端的影响。（作为对照，通常工序为先制备氢终端再外延氮化硼，其中氮化硼的外延过程需经历1000℃的高温、离子束轰击与高能沉积，直接导致对氢终端的严重损伤，能谱结果显示几乎无碳-氢键留存。）由于氮化硼的隔绝能够保证金刚石氢终端与氮化硼间杂质浓度可小于1ppm。
步骤c，通过氢微波等离子体处理（700℃，1000 W），穿透氮化硼，在其与金刚石层间插层形成表面氢终端（如图2（c）所示）。
步骤d，在氮化硼上继续溅射沉积厚度为50nm氮化硼多晶或由氮化硼多晶与氮化铝组成的复合功能层（如图2(d)所示）。基于2nm氮化硼的保护，d步骤将具有工艺兼容性，在其过程中能够使氢终端保持完整；通过沉积50nm氮化硼能够使异质结更为稳定，而如沉积不同厚度比例的氮化硼/氮化铝复合功能层则能够对势阱与电子态进行调制，同时提升介电性能。
综上所述，本发明一种基于金刚石表面终端的异质结及其应用通过方法创新规避现有难题，使金刚石表面终端技术能充分发挥其对于能带的调制作用，进而实现特定的势阱设计乃至界面二维载流子气，用于构筑新型功率、传感、逻辑等电子器件，有利于高性能元器件的革新，对电子技术的进一步发展起重要推动作用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种制备基于金刚石表面终端的异质结的方法，其特征在于：先在衬底（11）上形成金刚石层（21）；再在金刚石层（21）上形成第一绝缘层（31）；然后穿过第一绝缘层（31）在金刚石层（21）的表面通过插层形成表面终端（22）；最后在第一绝缘层（31）上形成第二绝缘层（32），其中，所述第一绝缘层（31）与金刚石层（21）之间化学键作用较弱或无化学键作用，所述的第一绝缘层（31）的厚度小于5nm，容许粒子穿透，进而插层形成表面终端（22）。
2.根据权利要求1所述的一种制备基于金刚石表面终端的异质结的方法，其特征在于：所述表面终端（22）为氢终端、氧终端、或，氟终端中的一种或多种组合。
3.根据权利要求1所述的一种制备基于金刚石表面终端的异质结的方法，其特征在于，所述表面终端（22）通过微波等离子体处理，粒子穿透重组，自由基辐照，电化学反应，或气体氛围退火中的一种或多种组合方法在第一绝缘层（31）与金刚石层（21）之间插层形成。
4.根据权利要求1所述的一种制备基于金刚石表面终端的异质结的方法，其特征在于：所述第一绝缘层（31）/第二绝缘层（32）的形成方法为外延法或机械剥离法直接形成于金刚石层（21）/第一绝缘层（31）上，或者，通过外延法或机械剥离法形成于新取用的衬底上，再通过干法或湿法转移至金刚石层（21）/第一绝缘层（31）上。
5.根据权利要求1所述的一种制备基于金刚石表面终端的异质结的方法，其特征在于：所述的第二绝缘层（32）的厚度为1nm-50μm，所述第二绝缘层（32）为单种材料形成的第二绝缘层或不同种材料无特定顺序的采用叠加的方式形成组合状的第二绝缘层。
6.根据权利要求1所述的一种制备基于金刚石表面终端的异质结的方法，其特征在于：所述金刚石层（21）的厚度范围1nm-500μm，杂质浓度小于1ppm。
7.根据权利要求1所述的一种制备基于金刚石表面终端的异质结的方法，其特征在于，所述金刚石层（21）的形成方法为使用高温高压法、化学气相沉积法、或相变法直接在衬底（11）上形成；或通过高温高压法、化学气相沉积法、或相变法形成于新取用的衬底上，再通过干法或湿法转移技术转移至衬底（11）上。
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