[发明专利]一种n－ZnO/p－自支撑金刚石薄膜异质结的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在p型未掺杂自支撑金刚石薄膜上生长n型ZnO薄膜制备异质结的方法，属于无机非金属材料器件制造工艺领域。

背景技术

21世纪，光电子技术将在高度信息化社会起到越来越重要的作用，光子集成和光电子集成技术对器件的功率、频率、工作温度等提出了更高的要求。传统的硅器件，在高频、大功率领域越来越显示其局限性，且不适宜于高辐射及化学环境恶劣等条件。而金刚石因具有一系列优异的性能，引起微电子技术、光电子技术等领域的广泛关注，成为新材料研究的热点之一。

金刚石半导体的禁带宽度、临界击穿电场强度、载流子的饱和漂移速率以及迁移率都很大，介电常数非常小，因此，用金刚石材料制作半导体器件，比其它半导体器件具有显著的优越性能。这些性能包括开态电阻、结的泄漏造成的功率损耗、热导、耐辐射强度、高频特性和高温特性。用峰值雪崩击穿电场强度作为临界参数，评价半导体材料在高功率电子应用中的特性。计算表明，金刚石的开态电阻比硅高几个数量级，最大工作频率高20倍，潜在工作温度达600℃以上。因此金刚石半导体器件可以应用于硅和砷化镓半导体器件无法应用的高温、高电压、强辐射等环境中。

20世纪90年代以前，因为天然及人工合成金刚石昂贵的价格限制了金刚石作为半导体器件材料的应用范围。近一二十年来，随着化学气相沉积(CVD)法合成金刚石薄膜技术和p型掺杂技术取得突破性进展，使人们大规模利用金刚石的愿望得以实现。基于金刚石薄膜的电子器件必将在高温、高速、高功率和高辐射等硅器件无法应用的场合发挥不可替代的作用。

目前金刚石薄膜p型掺杂的研究已取得一些成果，主要是通过硼掺杂来实现。但是还不能进行有效的n型掺杂，因此不能制作金刚石的pn结。这大大限制了金刚石薄膜在半导体器件方面的广泛应用。目前金刚石薄膜除了制作无源半导体器件外，只能制作肖特基二极管和场效应晶体管器件。正因为金刚石同质结的制备极端困难，近年来人们一直在寻找合适的异质结来实现金刚石的应用。而ZnO薄膜具有天然的n型导电、宽禁带，以及较高的热稳定性和化学稳定性、外延生长温度低、成本低、容易刻蚀而使后继工艺更方便等特点，成为与p型金刚石组成异质结的合适材料。

目前国内外ZnO/金刚石薄膜异质结的研究主要采用n型ZnO和p型硼掺杂同质外延单晶或异质外延多晶金刚石搭配。这种结构有二个共同的缺点，第一就是制备成本太高，单晶价格昂贵，多晶金刚石膜需要对粗糙表面进行抛光处理，这是一个极费时费力费钱的过程，也会增加制作成本。第二，由于硼受主激活能较大(370meV)，甚至在高温下也不能完全激活，不利于器件工作。本发明提出在p型未掺杂自支撑金刚石薄膜上生长高质量ZnO来制备异质结，很好的解决了以上问题，有望促进金刚石薄膜异质结的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种n-ZnO/p-自支撑金刚石薄膜异质结的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种n-ZnO/p-自支撑金刚石薄膜异质结的制备方法，其特征在于该工艺具有以下的过程和步骤：

1)硅衬底预处理：采用(100)镜面抛光硅片作为沉积衬底，采用HF酸超声清洗5～15分钟，以去除表面的氧化硅层；为了增加纳米金刚石薄膜的成核密度，使用100nm粒径的金刚石粉术对硅衬底机械研磨10～15分钟；将研磨后的硅片在混有100nm金刚石粉的丙酮溶液中超声清洗10～20分钟，最后再将硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗，直至硅片表面洁净，烘干后放入微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置的反应室内；

2)金刚石薄膜成核过程：先用真空泵对反应室抽真空至5～7Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至10^-2Pa以下，通入反应气体(甲烷与氢气的混合气体)，调节甲烷和氢气的流量分别为40～60标准毫升/分和120～160标准毫升/分；反应室的气压设定为0.5～1kPa，衬底偏压设定为50～150V，衬底温度控制在620～680℃，微波功率设定为1200～1600W，薄膜成核时间0.5～1小时；

3)金刚石薄膜生长过程：成核完成后，调节甲烷和氢气的流量分别为40～60标准毫升/分和150～200标准毫升/分；反应室的气压设定为4～5kPa，衬底温度控制在700～750℃，微波功率设定为1600～2000W，薄膜生长时间60～100小时：