專利名稱：一種碳化硅的歐姆電極結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在碳化硅上形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，具體涉及在寬禁帶碳化硅襯底上的歐姆電極結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
以碳化硅(SiC)及氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶材料，是繼硅(Si)和砷化鎵(GaAs)之后的新一代半導(dǎo)體材料。與Si和GaAs為代表的傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，SiC在工作溫度、抗輻射、耐高擊穿電壓性能等方面具有更多的優(yōu)勢[I]。SiC作為目前發(fā)展最成熟的寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)異的性能可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對高溫、高頻、高功率、高壓以及抗輻射的新要求，因而被看作是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域最有前景的材料之一。為了實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)中的相互連接，對于任何半導(dǎo)體器件，歐姆接觸都是制備過程中必不可少的基本工藝之一，其質(zhì)量的優(yōu)劣對半導(dǎo)體器件的性能會產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。近年來，碳化硅器件發(fā)展極其迅速，歐姆接觸是SiC器件制備的重要工藝之一，歐姆接觸質(zhì)量的穩(wěn)定性、接觸電阻的大小直接影響著半導(dǎo)體器件的效率、增益和開關(guān)等性能指標(biāo)。在SiC材料生長過程中不容易得到足夠高濃度的載流子濃度，并且SiC的離子注入困難使得實(shí)現(xiàn)高摻雜濃度的SiC材料較難。因而在SiC上制作高性能和低電阻的歐姆接觸比其他半導(dǎo)體要困難。如何在低摻雜襯底上制備性能良好的歐姆接觸成為SiC材料應(yīng)用的一個(gè)重要制約因素。目前國內(nèi)外對碳化硅材料歐姆接觸工藝的研究比較多地著眼于N1、Cr、W、Mo、Al和Ti等耐高溫材料或Ni2Si等硅化物材料；歐姆接觸的形成需要借助于一定的退火工藝，其厚度及電學(xué)性能依賴于退火的條件，快速熱退火是降低歐姆接觸的比接觸電阻的有效方法。但目前上述方法仍存在種種問題:例如，由于形成歐姆接觸的合金化退火工藝受退火溫度、退火時(shí)間和退火氛圍等工藝參數(shù)的影響，得到的歐姆接觸的比接觸電阻率參差不齊，可重復(fù)性差。

發(fā)明內(nèi)容
因此，為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提供一種碳化硅(SiC)的歐姆電極結(jié)構(gòu)及其制作方法，通過引入石墨烯作為降低SiC材料歐姆接觸的媒介材料，從而實(shí)現(xiàn)低接觸電阻，并提高SiC歐姆接觸的穩(wěn)定性。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種碳化硅歐姆電極結(jié)構(gòu)，包括:碳化硅基底和金屬層，以及位于所述碳化硅基底和金屬層之間的石墨烯層。在上述歐姆電極結(jié)構(gòu)中，碳化硅基底可以是碳化硅體單晶或碳化硅外延層。進(jìn)一步地，碳化硅單晶的晶型可以為4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC或15R_SiC。在上述歐姆電極結(jié)構(gòu)中，碳化硅基底的導(dǎo)電類型可以是n型、p型或半絕緣。在上述歐姆電極結(jié)構(gòu)中，石墨烯層可為單層或多層。
在上述歐姆電極結(jié)構(gòu)中，金屬層可為由一種金屬構(gòu)成的單一金屬層，或由兩種或兩種以上金屬構(gòu)成的復(fù)合金屬層。進(jìn)一步地，該金屬可為T1、N1、Al、Au、Pt、Ta、W或Cr。在上述歐姆電極結(jié)構(gòu)中，復(fù)合金屬層可為雙層金屬層，例如Ti/Au、Pt/Au、Ta/N1、Ti/Pt、Ti/Al 等。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種碳化硅歐姆電極結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:1)選取碳化硅單晶基底或形成碳化硅外延層；2)在所述碳化硅單晶基底或碳化硅外延層上形成石墨烯層；以及3)在所述石墨烯層上形成金屬層。在上述制備方法中，所述步驟2)中通過直接熱分解碳化硅單晶基底或碳化硅外延層形成石墨烯層。在上述制備方法中，所述步驟2)中通過將已制備好的石墨烯直接轉(zhuǎn)移到碳化硅單晶基底或碳化硅外延層上形成石墨烯層。在上述制備方法中，所述石墨烯層為單層或多層。在上述制備方法中，所述金屬層為由一種金屬構(gòu)成的單一金屬層，厚度為50nm到300nmo在上述制備方法中，金屬層可為由兩種金屬構(gòu)成的復(fù)合金屬層，第一層厚度為10nm_50nm,第二層厚度為 40nm 到 300nm。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的SiC歐姆電極結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于接觸電阻低，穩(wěn)定性好。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的歐姆電極結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖2是本發(fā)明示例I中石墨烯的拉曼譜圖；圖3是本發(fā)明示例I中制備的歐姆電極的1-V特性曲線；圖4是本發(fā)明示例2中石墨烯的拉曼譜圖；圖5是本發(fā)明示例2中制備的歐姆電極的1-V特性曲線；和圖6是本發(fā)明示例3中制備的歐姆電極的1-V特性曲線。
具體實(shí)施例方式總地來說，本發(fā)明提供了一種碳化硅(SiC)的歐姆電極結(jié)構(gòu)，該電極結(jié)構(gòu)不同于以往以金屬作為歐姆接觸材料，通過引入石墨烯作為SiC歐姆接觸的媒介材料，從而實(shí)現(xiàn)了低的接觸電阻，提高了歐姆接觸的穩(wěn)定性。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供一種SiC的歐姆電極結(jié)構(gòu)。如圖1所示，SiC的歐姆電極結(jié)構(gòu)包括SiC單晶基底或SiC外延層1，位于該單晶基底或外延層I上的石墨烯層2和金屬層3。其中，碳化硅基底可以是體單晶或外延層，碳化硅的晶型可為4H、6H、3C或15R，如本領(lǐng)域已知的，C表示立方體(cubic)結(jié)構(gòu),H表示六角型(hexagonal)結(jié)構(gòu),R表示菱形六面體(rhombohedron),數(shù)字表示堆疊的周期排列個(gè)數(shù)。碳化娃基底的類型可以是n型或p型半導(dǎo)體，或是半絕緣型半導(dǎo)體。碳化硅襯底的電阻率可以在10_2到IO6Q cm之間。
在上述歐姆電極結(jié)構(gòu)中，石墨烯可以為單層或多層，優(yōu)選為2到10層的多層石墨烯，因?yàn)槿绻┑膶訑?shù)太多，石墨烯層間載流子傳導(dǎo)會引入額外的電阻，不利于最大限度降低半導(dǎo)體接觸電阻。位于石墨烯層上面的金屬層可以是由一種金屬構(gòu)成的金屬單層，優(yōu)選厚度為5Onm到300nm。金屬層也可以是由兩種或兩種以上金屬構(gòu)成的雙層或多層金屬層(簡稱復(fù)合金屬層)，其中雙層金屬層為優(yōu)選，例如Ti/Au、Pt/Au、Ta/N1、Ti/Pt、Ti/Al等；更優(yōu)選地，第一層(即與石墨烯層最接近的金屬層)厚度為10nm-50nm，第二層厚度為40nm到300nm。其中，構(gòu)成金屬層的金屬可以是T1、N1、Al、Au、Pt、Ta、W或Cr等金屬。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供一種制備上述碳化硅的歐姆電極結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟:I)選取SiC單晶基底或形成SiC外延層；2)在所述SiC單晶基底或SiC外延層上形成石墨烯層；以及3)在所述石墨烯層上形成金屬層。在上述步驟2)中，石墨烯層可以直接在SiC單晶基底或SiC外延層上形成，也可以通過預(yù)先形成石墨烯，然后轉(zhuǎn)移到SiC基底或外延層上來實(shí)現(xiàn)。前者例如有熱分解法(下面示例1、2中所使用)或化學(xué)氣相沉積法；后者例如通過先采用物理或化學(xué)方法在另一基底上形成石墨烯，再利用微加工手段轉(zhuǎn)移至SiC襯底或外延層上(例如下面示例3所使用的方法)來實(shí)現(xiàn)。在上述步驟3)中，金屬層可以采用本領(lǐng)域已知的常規(guī)制膜工藝來制備，包括但不限于分子束外延法、磁控濺射法、電子束蒸發(fā)法等。以下結(jié)合附圖通過對具體示例的描述，進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、優(yōu)點(diǎn)和性倉泛。

示例 I將表面加工、清洗好的6H_SiC晶片放入超高真空爐中，控制爐內(nèi)壓力小于
IX 10 ,將晶片加熱到1500°C，保持5分鐘后自然冷卻到室溫，從而在6H-SiC晶片上獲得石墨烯層。通過拉曼光譜對獲得石墨烯進(jìn)行表征，如圖2所示，石墨烯的層數(shù)由拉曼光譜的G/2D的比值確定，該石墨烯為單層。然后利用直流磁控濺射技術(shù)蒸鍍金屬薄膜，用高純金屬單晶Ti (99.9wt% )、Au(99.9wt% )做派射祀,在石墨烯上制備Ti (IOnm) /Au (60nm)復(fù)合金屬層，得到的電極結(jié)構(gòu)為SiC/單層石墨烯/Ti (IOnm)/Au(60nm)多層,經(jīng)測試，SiC基底的載流子濃度為3X 1018cnT3。采用離子束刻蝕技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)控制離子束轟擊電極表面，將不需要的金屬層和石墨烯層去除，制備測試用的圓形傳輸線模板(TLM)電極形狀。利用半導(dǎo)體測量系統(tǒng)測量該電極室溫下的電流-電壓(1-V)特性，結(jié)果如圖3所示，很明顯該接觸顯示出良好的線性關(guān)系，證明得到了很好的歐姆接觸電極。通過TLM模型得到該電極的比接觸電阻率為2X10_6Q.cm2。示例 2將4H_SiC外延層放入超高真空爐中，控制爐里壓力小于lX10_4pa，將晶片加熱到1400°C，保持10分鐘后自然冷卻到室溫，從而在4H-SiC外延層上獲得石墨烯層。通過拉曼光譜對獲得石墨烯進(jìn)行表征，如圖4所示，石墨烯的層數(shù)由拉曼光譜的G/2D的比值確定，該石墨烯為5層左右。然后利用直流磁控濺射技術(shù)蒸鍍金屬薄膜，用高純金屬單晶Ti (99.9wt% )、Au(99.9wt% )做派射祀,在石墨烯上制備Ti (IOnm) /Au (60nm)復(fù)合金屬層，得到的電極結(jié)構(gòu)為4H-SiC/多層石墨烯/Ti (IOnm)/Au (60nm)多層，經(jīng)測試，SiC基底的載流子濃度為4 X 1017Cm_3。采用離子束刻蝕技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)控制離子束轟擊電極表面，將不需要的金屬層和石墨烯層去除，制備成預(yù)期的圓形TLM電極形狀。利用半導(dǎo)體測量系統(tǒng)測量該電極室溫下的電流-電壓(1-V)特性，結(jié)果如圖5所示，很明顯該接觸顯示出良好的線性關(guān)系，證明得到了很好的歐姆接觸電極。通過TLM模型得到該電極的比接觸電阻率為8X10_5Q.cm2。示例3分別用10% (體積比)HF，10% HCl和丙酮超聲清洗4H_SiC晶片，清洗時(shí)間10分鐘，然后用去離子水清洗，N2吹干。在金屬銅表面通過化學(xué)氣相生長得到大面積高質(zhì)量石墨烯，通過微加工手段將制備的石墨烯轉(zhuǎn)移在SiC晶片表面。通過拉曼光譜對獲得石墨烯進(jìn)行表征，石墨烯的層數(shù)由拉曼光譜的G/2D的比值確定，本示例的拉曼譜與示例I相似，所以本示例的石墨烯為單層。然后利用直流磁控濺射技術(shù)蒸鍍金屬薄膜，用高純金屬單晶Pt (99.9wt% )做派射祀,在石墨烯上制備Pt(200nm)單一金屬層,得到的電極結(jié)構(gòu)為SiC/單層石墨烯/Pt (200nm)，經(jīng)測試，SiC基底的載流子濃度為5X 1016cm_3。為了在SiC晶片表面制備預(yù)期的圓形TLM電極形狀，采用離子束刻蝕技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)控制離子束轟擊電極表面，將不需要的金屬層和石墨烯層去除，制備預(yù)期的圓形TLM電極形狀。利用半導(dǎo)體測量系統(tǒng)測量該電極室溫下的電流-電壓(1-V)特性，結(jié)果如圖6所示，很明顯該接觸顯示出良好的線性關(guān)系，證明得到了很好的歐姆接觸電極。通過TLM模型得到該電極的比接觸電阻率為6X10_4Q.cm2。以上示例僅為示意性的，在本發(fā)明的其他示例中，在SiC基底上直接熱分解形成石墨烯時(shí)，真空度可以小于I X KT1Pa,優(yōu)選小于10_3Pa，因?yàn)樵谳^高的真空環(huán)境下石墨烯的質(zhì)量較高，載流子的遷移快，有利于形成低電阻的歐姆接觸。加熱的溫度可以在12000C -1600°C之間，保持5-20分鐘，因?yàn)榇斯に嚄l件下制備的石墨烯的厚度在10層以下且石墨烯質(zhì)量高。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解，金屬層的厚度并不限于以上示例中的范圍，技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)和器件的尺寸來確定。綜上所述，具有本發(fā)明結(jié)構(gòu)的歐姆電極的比接觸電阻率在10_8至IO2Q ^m2之間，優(yōu)選在10_7至10_4 Cm2之間；由于石墨烯中的C與SiC表面是完美的原子層接觸，實(shí)現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性。 盡管參照上述的實(shí)施例已對本發(fā)明作出具體描述，但是對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，應(yīng)該理解可以在不脫離本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)基于本發(fā)明公開的內(nèi)容進(jìn)行修改或改進(jìn)，這些修改和改進(jìn)都在本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種碳化硅的歐姆電極結(jié)構(gòu)，包括碳化硅基底和金屬層，以及位于所述碳化硅基底和金屬層之間的石墨烯層。
2.如權(quán)利要求1所述的歐姆電極結(jié)構(gòu)，其中所述碳化硅基底是碳化硅體單晶或碳化硅外延層。
3.如權(quán)利要求2所述的歐姆電極結(jié)構(gòu)，其中所述碳化硅單晶的晶型為4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC 或 15R-SiC。
4.如權(quán)利要求1所述的歐姆電極結(jié)構(gòu)，其中所述碳化硅基底的導(dǎo)電類型包括n型、p型或半絕緣。
5.如權(quán)利要求1所述的歐姆電極結(jié)構(gòu)，其中所述碳化硅基底的電阻率在10_2到IO6 Q cm。
6.如權(quán)利要求1所述的歐姆電極結(jié)構(gòu)，其中所述石墨烯層為單層或多層。
7.如權(quán)利要求1所述的歐姆電極結(jié)構(gòu)，其中所述金屬層為由一種金屬構(gòu)成的單一金屬層，或由兩種或兩種以上金屬構(gòu)成的復(fù)合金屬層。
8.如權(quán)利要求7所述的歐姆電極結(jié)構(gòu)，其中所述金屬為T1、N1、Al、Au、Pt、Ta、W或Cr。
9.如權(quán)利要求7所述的歐姆電極結(jié)構(gòu)，其中，所述復(fù)合金屬層為雙層金屬層。
10.一種碳化硅歐姆電極結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟: 1)選取碳化硅單晶基底或形成碳化硅外延層； 2)在所述碳化硅單晶基底或碳化硅外延層上形成石墨烯層；以及 3)在所述石墨烯層上形成金屬層。
11.如權(quán)利要求10所述的制備方法，其中所述步驟2)中通過直接熱分解碳化硅單晶基底或碳化硅外延層形成石墨烯層。
12.如權(quán)利要求10所述的制備方法，其中所述步驟2)中通過將已制備好的石墨烯直接轉(zhuǎn)移到碳化硅單晶基底或碳化硅外延層上形成石墨烯層。
13.如權(quán)利要求10所述的制備方法，其中所述石墨烯層為單層或多層。
14.如權(quán)利要求10所述的制備方法,其中所述金屬層為由一種金屬構(gòu)成的單一金屬層，厚度為50nm到300nm。
15.如權(quán)利要求10所述的制備方法，其中金屬層為由兩種金屬構(gòu)成的復(fù)合金屬層，第一層厚度為10nm-50nm,第二層厚度為40nm到300nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳化硅歐姆電極結(jié)構(gòu)及其制備方法。該碳化硅的歐姆電極結(jié)構(gòu)包括碳化硅基底和金屬層，以及位于所述碳化硅基底和金屬層之間的石墨烯層。本發(fā)明的碳化硅歐姆電極結(jié)構(gòu)的接觸電阻低且穩(wěn)定性好。
文檔編號H01L29/45GK103117298SQ201110366469
公開日2013年5月22日 申請日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者陳小龍, 郭麗偉, 劉春俊 申請人:中國科學(xué)院物理研究所