專利名稱：一種碳化硅的歐姆電極結構及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在碳化硅上形成的半導體結構，具體涉及在寬禁帶碳化硅襯底上的歐姆電極結構及其制備方法。
背景技術：
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)之后的新一代半導體材料。與Si和GaAs為代表的傳統(tǒng)半導體材料相比，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體材料，具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點，其優(yōu)異的性能可以滿足現(xiàn)代電子技術對高溫、高頻、高功率、高壓以及抗輻射的新要求，因而被看作是半導體材料領域最有前景的材料之一。為了實現(xiàn)電子系統(tǒng)中的相互連接，對于任何半導體器件，歐姆接觸都是制備過程中必不可少的基本工藝之一，其質量的優(yōu)劣對半導體器件的性能會產(chǎn)生至關重要的影響。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，歐姆接觸質量的穩(wěn)定性、接觸電阻的大小直接影響著半導體器件的效率、增益和開關等性能指標。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材料應用的一個重要制約因素。目前國內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，可重復性差。

發(fā)明內容
因此，為了克服上述現(xiàn)有技術的問題，本發(fā)明提供一種碳化硅(SiC)的歐姆電極結構及其制作方法，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)明的一個方面，提供一種碳化硅歐姆電極結構，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。在上述歐姆電極結構中，碳化硅基底可以是碳化硅體單晶或碳化硅外延層。進一步地，碳化硅單晶的晶型可以為4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC或15R_SiC。在上述歐姆電極結構中，碳化硅基底的導電類型可以是n型、p型或半絕緣。在上述歐姆電極結構中，石墨烯層可為單層或多層。
在上述歐姆電極結構中，金屬層可為由一種金屬構成的單一金屬層，或由兩種或兩種以上金屬構成的復合金屬層。進一步地，該金屬可為T1、N1、Al、Au、Pt、Ta、W或Cr。在上述歐姆電極結構中，復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)明的另一個方面，提供一種碳化硅歐姆電極結構的制備方法，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成的復合金屬層，第一層厚度為10nm_50nm,第二層厚度為 40nm 到 300nm。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的SiC歐姆電極結構優(yōu)點在于接觸電阻低，穩(wěn)定性好。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的歐姆電極結構的剖面圖；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)的歐姆電極結構，該電極結構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)明的一個實施例，提供一種SiC的歐姆電極結構。如圖1所示，SiC的歐姆電極結構包括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，如本領域已知的，C表示立方體(cubic)結構,H表示六角型(hexagonal)結構,R表示菱形六面體(rhombohedron),數(shù)字表示堆疊的周期排列個數(shù)。碳化娃基底的類型可以是n型或p型半導體，或是半絕緣型半導體。碳化硅襯底的電阻率可以在10_2到IO6Q cm之間。
在上述歐姆電極結構中，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，因為如果石墨烯的層數(shù)太多，石墨烯層間載流子傳導會引入額外的電阻，不利于最大限度降低半導體接觸電阻。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成的雙層或多層金屬層(簡稱復合金屬層)，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)明的另一個實施例，提供一種制備上述碳化硅的歐姆電極結構的方法，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，也可以通過預先形成石墨烯，然后轉移到SiC基底或外延層上來實現(xiàn)。前者例如有熱分解法(下面示例1、2中所使用)或化學氣相沉積法；后者例如通過先采用物理或化學方法在另一基底上形成石墨烯，再利用微加工手段轉移至SiC襯底或外延層上(例如下面示例3所使用的方法)來實現(xiàn)。在上述步驟3)中，金屬層可以采用本領域已知的常規(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。以下結合附圖通過對具體示例的描述，進一步詳細說明本發(fā)明的結構、優(yōu)點和性倉泛。

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)復合金屬層，得到的電極結構為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，利用計算機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。利用半導體測量系統(tǒng)測量該電極室溫下的電流-電壓(1-V)特性，結果如圖3所示，很明顯該接觸顯示出良好的線性關系，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)復合金屬層，得到的電極結構為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，利用計算機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，制備成預期的圓形TLM電極形狀。利用半導體測量系統(tǒng)測量該電極室溫下的電流-電壓(1-V)特性，結果如圖5所示，很明顯該接觸顯示出良好的線性關系，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氣相生長得到大面積高質量石墨烯，通過微加工手段將制備的石墨烯轉移在SiC晶片表面。通過拉曼光譜對獲得石墨烯進行表征，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,得到的電極結構為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晶片表面制備預期的圓形TLM電極形狀，采用離子束刻蝕技術，利用計算機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，制備預期的圓形TLM電極形狀。利用半導體測量系統(tǒng)測量該電極室溫下的電流-電壓(1-V)特性，結果如圖6所示，很明顯該接觸顯示出良好的線性關系，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，真空度可以小于I X KT1Pa,優(yōu)選小于10_3Pa，因為在較高的真空環(huán)境下石墨烯的質量較高，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，因為此工藝條件下制備的石墨烯的厚度在10層以下且石墨烯質量高。對于本領域普通技術人員應理解，金屬層的厚度并不限于以上示例中的范圍，技術人員可以根據(jù)實際應用的經(jīng)驗和器件的尺寸來確定。綜上所述，具有本發(fā)明結構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，實現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性。 盡管參照上述的實施例已對本發(fā)明作出具體描述，但是對于本領域的普通技術人員來說，應該理解可以在不脫離本發(fā)明的精神以及范圍之內基于本發(fā)明公開的內容進行修改或改進，這些修改和改進都在本發(fā)明的精神以及范圍之內。
權利要求
1.一種碳化硅的歐姆電極結構，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.如權利要求1所述的歐姆電極結構，其中所述碳化硅基底是碳化硅體單晶或碳化硅外延層。
3.如權利要求2所述的歐姆電極結構，其中所述碳化硅單晶的晶型為4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC 或 15R-SiC。
4.如權利要求1所述的歐姆電極結構，其中所述碳化硅基底的導電類型包括n型、p型或半絕緣。
5.如權利要求1所述的歐姆電極結構，其中所述碳化硅基底的電阻率在10_2到IO6 Q cm。
6.如權利要求1所述的歐姆電極結構，其中所述石墨烯層為單層或多層。
7.如權利要求1所述的歐姆電極結構，其中所述金屬層為由一種金屬構成的單一金屬層，或由兩種或兩種以上金屬構成的復合金屬層。
8.如權利要求7所述的歐姆電極結構，其中所述金屬為T1、N1、Al、Au、Pt、Ta、W或Cr。
9.如權利要求7所述的歐姆電極結構，其中，所述復合金屬層為雙層金屬層。
10.一種碳化硅歐姆電極結構的制備方法，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成的單一金屬層，厚度為50nm到300nm。
15.如權利要求10所述的制備方法，其中金屬層為由兩種金屬構成的復合金屬層，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構及其制備方法。該碳化硅的歐姆電極結構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構的接觸電阻低且穩(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:中國科學院物理研究所