[发明专利]一种基于氮化物材料与氮终端金刚石的二维电子气异质结结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于氮化物材料与氮终端金刚石的二维电子气异质结结构及其制备方法，包括以下步骤：步骤一、获取金刚石层；步骤二、对金刚石层表面进行氮终端处理，形成氮终端表面；步骤三、在氮终端表面上外延生长Al面极性纤维锌矿结构的单晶氮化铝或硼铝氮，形成氮化铝外延层或硼铝氮外延层，以形成基于氮终端金刚石的二维电子气异质结结构。本发明能够形成高质量的氮化铝/氮终端金刚石异质结或硼铝氮/氮终端金刚石异质结，能够产生高电子迁移率、高载流子浓度的二维电子气，显著提升该异质结基器件在高压、高频和大功率方面的应用潜力。

技术领域

本发明属半导体工艺技术领域，具体涉及一种基于氮化物材料与氮终端金刚石的二维电子气异质结结构及其制备方法。

背景技术

金刚石属于新一代的超宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、载流子迁移率高、热导率高等优点，在新一代高压、大功率、耐高温、抗辐照电子器件应用中具有巨大的优势和潜力。制备工艺简单、性能卓越的p/n型电导对于发挥金刚石材料的应用潜力至关重要。与目前使用的大多数半导体材料一样，金刚石必须以某种形式掺杂，以引入密度足够高的可动载流子。然而，金刚石的强共价键和密堆积晶体结构是其优异材料特性的根源，但也导致了其体掺杂的室温激活非常困难。硼作为金刚石p型掺杂中最为成功的受主杂质，仍具有高达0.37eV的激活能，导致室温下能够电离的载流子浓度仅为硼掺杂浓度的千分之几。此外，随着硼掺杂剂浓度的升高，掺杂金刚石的空穴迁移率会显著降低，并且重硼掺杂也会对金刚石晶体质量造成负面影响，从而影响器件性能。而对于n型掺杂金刚石，最常用的施主杂质为磷，其激活能更是高达0.6eV，室温下的载流子电离率更低。当磷的掺杂浓度达到6.8×10¹⁶cm^-3时，室温下激活的电子浓度仅为10¹¹cm^-3。金刚石半导体掺杂困难的问题严重限制了其在电子器件领域的发展和应用。

近年来，实验上广泛观察到，氢终端金刚石表面在室温下能表现出p型导电性。将金刚石在氢等离子体中处理，形成表面由C-H键覆盖的氢终端金刚石表面，暴露在空气中以后，由于转移掺杂作用，能够在金刚石表面下方10nm左右形成一层二维空穴气(2DHG)积累层。2DHG的浓度在10¹²-10¹⁴cm^-2的数量级，迁移率在几十到200cm²/Vs。基于氢终端金刚石p型电导的场效应晶体管(FET)已经成为金刚石电子器件研究的主流，已经实现最大输出电流密度1.3A/mm，截止频率70GHz，击穿电压2608V，2GHz下的输出功率密度4.2W/mm。

鉴于金刚石n型体掺杂电离非常困难，而p型面电导则取得了显著的进步，基于金刚石异质结实现二维电子气(2DEG)面电导能够为金刚石n型电导提供新的思路。金刚石基异质结界面的二维电子气可以由势垒层的施主杂质电离来提供电子，也可由类似氮化物异质结的原理，即势垒层极化效应和表面态电离来提供电子。这样能够突破金刚石n型体掺杂电离率极低、难以形成室温高电导的关键难题，极大提高金刚石器件的电流密度。已有第一性原理研究表明，通过栅极电压诱导沟道电荷，金刚石/立方氮化硼(c-BN)异质结界面可形成高达5×10¹²cm^-2的二维电子气，可用于制备高性能高电子迁移率晶体管(HEMT)。

然而，实际器件制备中，基于二维电子气n型电导的金刚石基异质结仍有一些关键问题需要解决。若以超宽禁带(5.5eV)的金刚石材料作为容纳二维电子气的沟道层，以另一种材料作为势垒层，则势垒层的禁带宽度应大于金刚石的禁带宽度，满足此要求的只有硼铝氮(AlN)及氮化硼(BN)等超宽禁带半导体材料。

形成异质结的两种材料还需要形成适合二维电子气在金刚石中输运的带阶，即在金刚石一侧形成势阱而在势垒层一侧形成势垒；在势垒层掺杂电离提供电子形成二维电子气的情况下，该势垒高度应大于势垒层施主杂质的电离能，令施主杂质能够电离。