[发明专利]一种混合石墨烯电极的半导体器件及其制造方法

说明书

本发明是一种混合石墨烯电极的半导体器件及其制造方法，该器件的元胞结构包括：N型衬底，N型缓冲层，N型外延层，表面设有与N型外延层形成肖特基接触的石墨烯电极和金属电极，衬底下面设有与N型衬底形成欧姆接触的金属背电极。本发明的优点在于石墨烯具有极高的透光率和可调控的功函数，其与功函数较高的金属在N型外延层表面组成混合电极，可使器件的暗电流降低，噪音降低，灵敏度提高，检测弱信号能力增强，波长探测范围增大，性能稳定性提高。还可以降低器件正向导通状态时的开启电压，以及降低阻断状态下的泄漏电流，提高击穿电压。本发明器件可应用于光电领域和功率领域。

技术领域

本发明属于半导体器件领域，具体而言是一种混合石墨烯电极的半导体器件及其制造方法。

背景技术

肖特基二极管的功耗取决于正向压降和反向泄露电流，二者都应尽可能低才可降低器件功耗。为满足器件正向压降低，需要肖特基势垒高度低，为满足器件反向泄漏电流低，肖特基势垒应尽可能的高。然而，与传统的肖特基二极管外延层表面直接接触的只有一种金属，该金属具有唯一的功函数，与半导体只能产生唯一的肖特基势垒，所以在器件正向状态具有小的势垒高度与在器件反向状态具有大的势垒高度这两个需求是相互冲突的。在光电领域，传统的光电探测器采用金属-半导体结构，金属的透光率低，可检测光的波长范围小，同时，低肖特基势垒的光电探测器具有暗电流大，噪声强，对弱信号的检测能力弱的缺点。石墨烯是一种具有优异的力、热、光、电等性能的二维材料，具有极好的导电性，其电子迁移率超过1.5×10⁴cm²·V^-1·s^-1，是本征硅的10倍以上，同时，单层石墨烯对光的吸收率只有2.3％，具有极好的导电性、透光性，以及功函数可调的特性，在光电探测领域和功率器件领域有很大的潜能，可以解决光电领域和功率领域的上述问题。本发明器件，提出了一种混合石墨烯电极的新型结构，同时提出了与传统工艺兼容的器件制作工艺。

发明内容

技术问题：本发明针对上述问题，提出了一种与现有半导体器件制造工艺兼容，既可以降低器件正向导通状态时的开启电压，降低阻断状态下的泄漏电流，也可以降低器件的暗电流，增强检测弱信号能力，增大探测波长范围的混合石墨烯电极的半导体器件及其制造方法。

技术方案：本发明采用的混合石墨烯电极的半导体器件包括：N型衬底，在N型衬底的一个表面上设有背部电极金属，在N型衬底的另一个表面上设有N型缓冲层，在N型缓冲层上设有N型外延层，N型外延层表面设有与N型外延层形成肖特基接触的石墨烯电极和高功函数金属电极。

其中，

所述的N型外延层的上表面为多个凸起，石墨烯电极位于该凸起的顶部，高功函数金属电极位于该凸起的侧面和N型外延层的上表面。

所述的高功函数金属电极嵌入N型外延层的上表面，与N型外延层形成肖特基接触的石墨烯电极覆盖在高功函数金属电极和N型外延层的上表面。

所述石墨烯电极的材料不限于单层石墨烯或者多层石墨烯，或具有石墨烯特性的二维材料。

本发明的混合石墨烯电极的半导体器件的制造方法为：

步骤1.取一个N型衬底，使用溅射工艺，在N型衬底的一个表面上制作背部电极金属，在N型衬底的另一个表面上生长N型缓冲层，

步骤2.在N型缓冲层表面上形成N型外延层，

步骤3.使用转移法将石墨烯转移到N型外延层表面，然后，使用等离子体反应刻蚀技术，刻蚀掉部分石墨烯，留下间隔分布的石墨烯电极，

步骤4.使用溅射工艺和金属剥离工艺在N型外延层上形成和石墨烯电极紧密接触间隔排布的高功函数金属电极，组成混合石墨烯电极。

其中，

步骤4所使用的高功函数金属电极为功函数高于石墨烯费米能级的金属，以及不限于其他功函数高于石墨烯并可以用作电极的材料。