[发明专利]高功函数可调的过渡金属氮化物材料、其制备方法及应用

说明书

本申请公开了一种高功函数可调的过渡金属氮化物材料、其制备方法及应用。在一典型实施例中，所述的制备方法包括：在作为衬底的p型半导体材料上依次生长过渡金属氮化物、氮化硼或石墨；以及，对所获的氮化硼或石墨/过渡金属氮化物复合结构材料进行高温退火，使氮化硼中的硼元素或石墨中的C元素热扩散至过渡金属氮化物中，从而获得高功函数可调的过渡金属氮化物材料。本发明过渡金属氮化物材料的制备工艺简单高效、便于调控，易于大规模实施，同时所获过渡金属氮化物材料的功函数较之现有技术有显著提高，而且该功函数还是可以方便调控的，能最大限度的实现过渡金属氮化物与P型宽带隙半导体材料的功函数的匹配，具有广泛的应用前景。

技术领域

本申请涉及一种过渡金属氮化物材料，特别是一种具有高功函数且功函数可调的过渡金属氮化物材料，其制备方法及应用，属于材料科学领域。

背景技术

对于半导体器件，特别是半导体光电子器件来说，低欧姆接触电阻是实现高性能器件的基础。对于n型材料来说，所需要的金属功函数应小于半导体的功函数。在元素周期表中，有很多金属可以实现这一点。相比之下，实现P型宽禁带半导体的欧姆接触则要困难得多，因为需要具有较大功函数的金属。现有金属中功函数最大的就是Pt，但其功函数也只有5.65eV，这远小于宽禁带p型氮化物半导体材料的功函数(功函数大于6.5eV)，因此要达到真正的“欧姆”接触是很困难的。因此，靠单一金属或多组分金属进行功函数调节的能力有限。而且随着器件向着高温、大功率的方向发展，在获得低阻欧姆接触的同时提高其热稳定性也至关重要。过渡金属氮化物是一类陶瓷材料，具有耐高温的性质，而且其组分随着生长工艺参数的变化而变化，因此其电学、光学性质也会随着生长工艺参数的变化而变化，并且具有金属性的过渡金属氮化物具有很好的导电性。目前，有关过渡金属氮化物薄膜的报道有很多，在电学应用方面常作为金属接触机制中的垒层，或直接作为欧姆接触层，以提高欧姆接触的稳定性和可靠性。据报道，将TiN、ZrN作为n-GaN材料的欧姆接触层或者金属接触层中的垒层，能获得10^(-5)-10^(-6)Ω·cm^2的接触电阻率，而且由此实现的欧姆接触能承受750℃以上的高温(B.P.Luther,S.E.Mohney,et al.,Semicond.Sci.Technol.,1998,13:1322–1327；S.E.Mohney,B.P.Luther et al.,International High TemperatureElectronics Conference,1998,134-137；L.F.Voss,L.Stafford et al.,ECSTransactions,2007,6(2):191-199)。过渡金属氮化物在P型半导体接触中的应用也有相关报道。L.F.Voss等人利用TiN、ZrN、TaN作为P-GaN欧姆接触的扩散垒层，即在Ni/Au/Ti/Au之间插入TiN、ZrN、TaN，变成Ni/Au/(TiN或ZrN或TaN)/Ti/Au接触，研究表明插入势垒层后，在N₂气氛下，700℃下退火1分钟，获得了2×10^(-4)Ω·cm^2的接触电阻率，直到退火温度达到1000℃，其接触性能仍然保持稳定(L.F.Voss,L.Stafford et al.,Appl.Phys.Lett.,2007,90(21):2107)。然而，过渡金属氮化物的功函数低，文献报道的TiN的功函数仅为3.74eV,其与P-GaN接触形成的是肖特基接触(C.A.Dimitriadis,Th.Karakostas et al.,Solid-State Electronics,1999,43:1969-1972)。而其他的过渡金属氮化物如ZrN、HfN、TaN等的功函数也比较低，一般都小于5eV,因此也难与宽禁带的P型半导体材料形成欧姆接触。另外，仅通过工艺参数的变化改变其组分，从而导致其功函数的变化范围也非常有限。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一类高功函数可调的过渡金属氮化物材料、其制备方法及应用，从而克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本申请采用的技术方案包括：