專利名稱：立方氮化硼單晶-薄膜同質(zhì)p-n結(jié)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導體元件的制備方法，特別涉及一種立方氮化硼單晶-薄膜同質(zhì) P-N結(jié)的制備方法。
背景技術(shù)：
立方氮化硼(cBN)是一種純?nèi)斯ず铣傻亩喙δ懿牧?。它不僅具有僅次于金剛石的 硬度，是一種在機械加工領(lǐng)域應用廣泛的超硬材料，而且cBN晶體還是典型的III-V族半導 體。cBN可以耐受1200°C高溫、約6. 4eV最寬的直接帶隙、能夠被摻雜成N-和P-型半導體 材料等性質(zhì)，這些優(yōu)異性質(zhì)使其在耐高溫大功率半導體器件方面有著廣泛的應用前景。然而，cBN單晶體通常是在超高壓高溫( 5Gpa、 1500°C )的極端條件下合 成的，晶體生長十分困難。至今世界上用高溫高壓方法在實驗室條件下合成的最大尺寸 的單晶僅有3mm，這給cBN半導體特性的研究和應用帶來很大的困難。當前，美國專利 No. 3078232指出，高壓合成的cBN晶體中摻雜少量的Be元素具有P-型半導體性質(zhì)；美國 專利No. 3141802和No. 3216942指出，高壓合成的cBN晶體中摻雜少量的Si、Ge、S或Se 元素中的一種及以上具有N-型半導體性質(zhì)。基于cBN晶體的上述性質(zhì)，1987年日本學者 0. Mishima在《Science》238 (1987) 181上發(fā)表有關(guān)cBN同質(zhì)P-N結(jié)的文章，隨后又出現(xiàn)了 數(shù)篇關(guān)于cBN同質(zhì)P-N結(jié)制作的專利。其制作的方法大致為(1)、將混有Be元素的氮化硼源及觸媒進行高溫高壓處理，合成得到的大顆粒cBN 單晶由于Be原子的替代作用而呈現(xiàn)出P-型半導體性質(zhì)；(2)、將條例(1)中得到的P-型cBN單晶作為籽晶，放到混有Si、Ge、S或Se元素 中的一種及以上的BN源及觸媒中，采用溫度梯度的方法，在高溫高壓條件下，再生長得到 具有N-型半導體特性的cBN單晶表面，這樣，實驗制得cBN的同質(zhì)P-N結(jié)。當然，也可以先合成N-型的cBN籽晶，再高壓生長P-型cBN表面，同樣能夠得到 cBN同質(zhì)P-N結(jié)。然而，上述通過高壓再生長的方法制備P-N結(jié)存在以下不足之處(1)、高 壓合成及再生長cBN單晶時間長，生產(chǎn)效率低；(2)、高壓合成的cBN同質(zhì)P-N結(jié)必須經(jīng)過切 割、研磨，才能進行實際的應用，要將粒度小且又十分堅硬的cBN晶體切割成特定的形狀， 工藝難度極大，相應的成品率低，成本增加；(3)、半導體摻雜僅局限于高壓合成前的初始原 料，合成過程中的摻雜不可控制，且難于實現(xiàn)多層膜的沉積及制備出各種器件的組合；(4) 由于高壓合成得的cBN單晶顆粒表面不平整，致使P-N結(jié)的界面粗糙，抗擊穿電壓不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種立方氮化硼單晶_薄膜同質(zhì)P-N結(jié)的制 備方法，該方法降低了工藝難度、減少了工藝過程，提高了生產(chǎn)效率和成品率，同時降低了 生產(chǎn)成本，制備出的P-N結(jié)的界面平整，提高了 cBN同質(zhì)P-N結(jié)的抗擊穿性。本發(fā)明的技術(shù)方案是首先，高壓合成得的cBN單晶呈片狀，而不是合成大顆粒 cBN單晶、經(jīng)過工藝處理之后的再切割。這種合成是在六面頂壓機上通過控制腔體內(nèi)部適當?shù)臏囟群蛪毫μ荻葘崿F(xiàn)的，獲得的cBN單晶片尺寸在300 500微米，厚度在十幾至幾十微 米，表面為(111)面。在進行cBN薄膜生長前，對cBN片進行徹底的清洗。先用乙醇和丙酮 的混合液進行超聲清洗，然后用硝酸和鹽酸的混合溶液進行化學清洗，最后用去離子水洗 凈并紅外燈烘干。其次，采用氣相沉積的方法制備摻雜的cBN薄膜，而不是高壓合成再生長cBN薄 膜，是將cBN單晶片放入真空腔內(nèi)，通過真空沉積薄膜的手段進行摻雜生長cBN薄膜，使得 生長出的cBN薄膜與cBN單晶片的半導體類型相反，制備得cBN單晶-薄膜同質(zhì)P-N結(jié)。由 于采用氣相沉積的方法，沉積過程中可以及時調(diào)整、控制摻雜物質(zhì)的濃度，還可以利用現(xiàn)代 光刻、掩膜等手段實現(xiàn)器件的集成。本發(fā)明的具體工藝步驟包括合成具有半導體特性的CBN單晶片和制備摻雜的 cBN薄膜，所述的合成具有半導體特性的cBN單晶片，是采用高壓直接合成或高壓再擴散的 方法，所述的高壓直接合成方法是以混有Si、Be等半導體雜質(zhì)元素的六角氮化硼(hBN)為 原料，用含鋰、硼和氮元素的觸媒，在1800 2000K溫度、5. 0 6. 5GPa條件下，在六面頂壓 機腔體內(nèi)保壓3 40分鐘，直接合成得到N-或P-型的cBN單晶片；所述高壓再擴散方法 是以純hBN為原料采用上述工藝過程合成純cBN單晶片，再將清洗處理的cBN單晶片埋入 裝有Si、Be等元素的坩堝中，在高溫真空中進行擴散，真空腔內(nèi)氣壓控制在0. 5 1. OPa, 溫度在1200 1400K，擴散0. 5 1. 0小時，再自然冷去到室溫，使得高壓合成的cBN單晶 片具有半導體特性。所述的制備摻雜的cBN薄膜，是以高壓合成的、具有半導體特性的cBN單晶片為襯 底，利用射頻磁控濺射物理氣相沉積RF-PVD法、電感耦合等離子體化學氣相沉積ICP-CVD 法等氣相沉積cBN薄膜的方法，在cBN單晶片表面生長摻雜的cBN薄膜，使得生長出的cBN 薄膜與cBN單晶片的半導體類型相反，制備出cBN單晶-薄膜同質(zhì)P-N結(jié)。本發(fā)明方法采用高壓合成和氣相沉積技術(shù)相結(jié)合的方法，制備cBN單晶-薄膜同 質(zhì)P-N結(jié)，其降低了工藝難度、提高了生產(chǎn)效率和成品率等，較從前的高壓合成、再生長制 備cBN同質(zhì)P-N結(jié)技術(shù)有很大的提高。P-N結(jié)的質(zhì)量與cBN薄膜的生長直接相關(guān)，均勻外延生長的cBN薄膜有助于P_N結(jié) 質(zhì)量的提高，如果生長的cBN薄膜與襯底存在較厚的過渡層，則會對P-N結(jié)產(chǎn)生不良影響。
具體實施例方式實施例1高壓直接合成法合成P-型cBN單晶片以混有1 5% Be元素的六角氮化硼為原料，觸媒中含鋰、硼和氮元素，溫度控制 在1820K，壓力控制在5. 2GPa，在六面頂壓機腔體內(nèi)保壓40分鐘，得到P-型半導體特性的、 表面光滑的、約為300 500微米尺寸的cBN單晶片。實施例2高壓直接合成法合成P-型cBN單晶片以混有1 5% Be元素的六角氮化硼為原料，觸媒中含鋰、硼和氮元素，溫度控制 在1870K，壓力控制在6. OGPa，在六面頂壓機腔體內(nèi)保壓25分鐘，得到P_型半導體特性的、 表面光滑的、約為300 500微米尺寸的cBN單晶片。實施例3高壓直接合成法合成P-型cBN單晶片以混有1 5% Be元素的六角氮化硼為原料，觸媒中含鋰、硼和氮元素，溫度控制
4在1950K，壓力控制在6. 2GPa，在六面頂壓機腔體內(nèi)保壓15分鐘，得到P-型半導體特性的、 表面光滑的、約為300 500微米尺寸的cBN單晶片。 實施例4高壓再擴散的方法合成N-型cBN單晶片以純六角氮化硼為原料，用含鋰、硼和氮元素的觸媒，在1820K溫度、5. 2G P a條件 下，在六面頂壓機腔體內(nèi)保壓40分鐘，得到閃鋅礦型的表面光滑的約為300 500微米尺 寸的純cBN單晶片。經(jīng)清潔處理后，埋入裝有Si粉的石墨坩堝內(nèi)，在高溫真空中進行擴散， 真空腔內(nèi)氣壓控制在1. OPa，溫度在1200K，擴散1. 0小時，自然冷去到室溫，取出后洗凈干 燥，得N-型半導體性質(zhì)的cBN單晶片。實施例5高壓再擴散的方法合成N-型cBN單晶片以純六角氮化硼為原料，用含鋰、硼和氮元素的觸媒，在18701(溫度、6.06 3條件 下，在六面頂壓機腔體內(nèi)保壓25分鐘，得到閃鋅礦型的表面光滑的約為300 500微米尺 寸的純cBN單晶片。經(jīng)清潔處理后，埋入裝有Si粉的石墨坩堝內(nèi)，在高溫真空中進行擴散， 真空腔內(nèi)氣壓控制在1. OPa，溫度在1300K，擴散1. O小時，自然冷去到室溫，取出后洗凈干 燥，得N-型半導體性質(zhì)的cBN單晶片。實施例6高壓再擴散的方法合成N-型cBN單晶片以純六角氮化硼為原料，用含鋰、硼和氮元素的觸媒，在1950K溫度、6.2GPa條件 下，在六面頂壓機腔體內(nèi)保壓15分鐘，得到閃鋅礦型的表面光滑的約為300 500微米尺 寸的純cBN單晶片。經(jīng)清潔處理后，埋入裝有Si粉的石墨坩堝內(nèi)，在高溫真空中進行擴散， 真空腔內(nèi)氣壓控制在1. OPa，溫度在1400K，擴散1. O小時，自然冷去到室溫，取出后洗凈干 燥，得N-型半導體性質(zhì)的cBN單晶片。實施例7進行薄膜沉積前對cBN單晶片進行的徹底清洗將高壓合成得的片狀cBN單晶片先放入乙醇和丙酮的混合液進行超聲清洗40分 鐘，然后再硝酸和鹽酸的混合溶液中煮沸2小時，最后用去離子水洗凈并紅外燈烘干。實施例8射頻磁控濺射物理氣相沉積RF-PVD法在P-型cBN單晶片上生長N-型 cBN薄膜以直徑為50mm、混合5% Si的六角氮化硼片作為濺射靶材，在真空室被預抽真空 至4X ICT3Pa以上時，通入純度高于99. 99%的Ar和N2的混合氣體，真空室內(nèi)工作氣壓1 3Pa，N2與Ar的比例1 10 1 20，使用的偏壓-400 -200V，基底溫度200 450°C， 射頻濺射功率100 200W，沉積時間為2 4小時。P型cBN單晶片的表面再生長了 N型 的cBN薄膜，制得cBN單晶-薄膜同質(zhì)P-N結(jié)。實施例9電感耦合等離子體化學氣相沉積ICP-CVD法在N-型cBN單晶片上生長 P-型cBN薄膜在真空室被預抽真空至4 X KT3Pa以上后，沉積前先采用H和N的等離子體對襯底 表面和真空室內(nèi)壁進行清洗，再通過質(zhì)量流量計控制Ar、N2& 10% B2H6(He稀釋)氣體的輸 入量，其中Ar氣體流量3 20sccm、N2氣體流量1 5sccm、10% B2H6 (He稀釋)氣體流量 1 lOsccm，頻率為13. 56MHz的電源功率0. 3 1. OKff,保持真空室內(nèi)的工作氣壓為1 3Pa，偏壓為-200 0V，基底溫度為200 500°C，沉積時間為10 30分鐘。沉積的cBN 薄膜因富B而顯P-型半導體性質(zhì)，N-型cBN單晶片的表面再生長了 P-型的cBN薄膜，制 得cBN單晶-薄膜同質(zhì)P-N結(jié)。
權(quán)利要求
一種立方氮化硼單晶-薄膜同質(zhì)P-N結(jié)的制備方法，該方法包括有合成半導體特性的立方氮化硼單晶片和制備摻雜的立方氮化硼薄膜，該立方氮化硼薄膜與立方氮化硼單晶片的半導體特性相反，其特征在于所述的合成半導體特性的立方氮化硼單晶片，是采用高壓直接合成或高壓再擴散的方法，所述高壓直接合成方法是以混有半導體雜質(zhì)元素的六角氮化硼為原料，用含鋰、硼和氮元素的觸媒，在1800～2000K溫度、5.0～6.5GPa條件下，在六面頂壓機腔體內(nèi)保壓3～40分鐘，直接合成得到N-或P-型的cBN單晶片；所述高壓再擴散方法是以純六角氮化硼為原料，用含鋰、硼和氮元素的觸媒，在1800～2000K溫度、5.0～6.5GPa條件下，在六面頂壓機腔體內(nèi)保壓3～40分鐘，直接合成得到N-或P-型的立方氮化硼單晶片，再將清洗后的立方氮化硼單晶片埋入裝有半導體雜質(zhì)元素的坩堝中，在高溫真空中進行擴散，真空腔內(nèi)氣壓控制在0.5～1.0Pa，溫度在1200～1400K，擴散0.5～1.0小時，自然冷卻至室溫，使得高壓合成的立方氮化硼單晶片具有N-或P-型半導體特性；所述的制備摻雜的立方氮化硼薄膜，是以上述具有半導體特性的立方氮化硼單晶片為襯底，采用真空氣相沉積的方法，摻雜生長半導體類型與襯底類型相反的立方氮化硼薄膜。
2.按照權(quán)利要求1所述的立方氮化硼單晶_薄膜同質(zhì)P-N結(jié)的制備方法，其特征在于 所述的真空氣相沉積的方法是真空物理氣相沉積法或真空化學氣相沉積法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種立方氮化硼單晶-薄膜同質(zhì)P-N結(jié)的制備方法，屬于半導體元件的制備方法。該方法包括有合成半導體特性的立方氮化硼單晶片和制備摻雜的立方氮化硼薄膜，該立方氮化硼薄膜與立方氮化硼單晶片的半導體特性相反，所述的合成半導體特性的立方氮化硼單晶片，是采用高壓直接合成或高壓再擴散的方法，所述的制備摻雜的立方氮化硼薄膜，是以上述具有半導體特性的立方氮化硼單晶片為襯底，采用真空氣相沉積的方法，摻雜生長半導體類型與襯底類型相反的立方氮化硼薄膜。所述真空氣相沉積的方法是真空物理氣相沉積法或真空化學氣相沉積法。其降低了工藝難度、提高了生產(chǎn)效率和成品率等，較從前的高壓合成、再生長制備cBN同質(zhì)P-N結(jié)技術(shù)有很大的提高。
文檔編號H01L21/18GK101807519SQ20101012871
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月22日
發(fā)明者吉曉瑞, 張鐵臣, 李紅東, 李英愛, 楊大鵬, 楊旭昕 申請人:吉林大學