基于掺硼金刚石薄膜的肖特基势垒二极管设计、制作及性能

[摘 要]以微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）所制备的（110）织构化掺硼多晶金刚石薄膜为基材，设计了一种新颖的“叉指状”平面型肖特基势垒二极管（SBD），并采用传统的光刻-镀膜等微电子器件加工技术完成SBD的制作，其中金属电极宽度和电极间距分别在0.008 ～ 0.1 mm和0.072 ～ 0.9 mm之间可控。重点考察了金刚石薄膜内掺硼浓度对SBD性能的影响，研究发现重硼掺杂时，SBD呈电阻特性；随着掺硼浓度的降低，金刚石薄膜的导电性下降，所制备的SBD的整流特性增强，反向漏电流迅速降低；当金刚石薄膜内B/C比为400 ppm时，SBD的整流比可达103，反向漏电流仅为10-10A。

[关键词]金刚石薄膜；肖特基势垒二极管；整流比

中图分类号：TN545 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）43-0331-02

1 引言

肖特基势垒二极管（SBD）是利用金属电极与半导体材料接触后形成的整流特性制作的一种二极管器件。与传统的PN结二极管相比较，SBD的势垒高度较小，其开启电压和导通压降均较小。此外，SBD的正向电流是由半导体中的多数载流子流入金属电极所形成的，不存在少数载流子的注入和存储问题，反应恢复时间短，开关速度快（比PN结二极管高出4个数量级左右）。目前大部分SBD是由单晶硅材料制作的，随着硅工艺的发展，其二极管性能已逐渐逼近硅材料的极限值。为了满足高温、高压和大功率工况下的应用需求，需要选择更为合适的半导体材料制作SBD，如宽带隙半导体材料。与传统的宽带隙半导体材料如SiC、GaN等相比，金刚石具有更大的带隙宽度（～ 5.5 eV）、高的饱和载流子迁移率（空穴3800 cm2/V・s和电子4500 cm2/V・s）、大的击穿电场（～ 107 V/m）、高的热导率以及极高的化学惰性和力学性能等，是一种替代硅材料制作SBD的理想材料[1，2]。

近年来，各国研究人员在金刚石SBD方面开展了大量的开创性工作，已利用同质外延掺硼单晶金刚石薄膜制作了多种结构的SBD，并通过优化金刚石材料的缺陷以及二极管制作工艺获得优异地二极管性能[3-8]。然而，同质外延所用的HPHT单晶金刚石基体价格昂贵，且尺寸较小（通常为3 × 3 mm），不利于金刚石SBD的大规模广泛使用。近年来，大量研究表明异质外延沉积的高度织构化取向的多晶金刚石薄膜的诸多物理性质与同质外延单晶金刚石非常接近；然而，与同质外延沉积技术相比，异质外延沉积技术即经济通用又能大面积制备，这将为以高度织构化取向的异质外延金刚石SBD的广泛应用提供可靠的技术保障。

针对以上应用需求，本文结合所制备的织构化取向掺硼多晶金刚石薄膜的膜厚和晶粒尺寸大小，设计了一种新颖的交叉“指”状的平面型SBD并成功制作，所制备的SBD展现了较低的开启电压、低的反向漏电流和高的整流比等特性，有望在大功率和开关器件等领域应用。

2 实验

2.1 SBD的设计

本实验中所使用的半导体材料是采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）法，通过独特的形核-刻蚀-生长循环沉积工艺所制备的（110）织构化掺硼多晶金刚石薄膜（如图2中的100步骤），其工艺参数及结果详见文献[9]。尽管高度织构化的掺硼多晶金刚石薄膜物理性质类似于单晶金刚石薄膜，但与单晶金刚石相比，由于多晶薄膜内存在大量的晶界和位错等缺陷，它们不可避免地会对二极管的性能造成影响；同时，考虑到金刚石的柱状晶生长机制，金刚石薄膜的成核面缺陷密度远高于生长面，且生长面的晶粒尺寸随膜厚的增加而增加，所以生长面的晶粒尺寸也较大。为了将缺陷对二极管性能的影响降低对最小化，我们设计了如图1所示的“叉指状”平面型二极管结构，该二极管为在高度织构化掺硼多晶金刚石薄膜的生长面同侧制作呈交叉指状分布的欧姆和肖特基接触电极，其中欧姆接触电极以及肖特基接触电极的宽度在0.008 ～ 0.1 mm之间可调，且两个相邻“指”电极之间的间距也在0.072 ～ 0.9 mm范围内可调；欧姆接触电极为Ti/Au，而肖特基接触电极为Au。

2.2 SBD的制作

在综合考虑金刚石薄膜特征以及现有的设备等因素后，本项目采用传统的匀胶-光刻-蒸镀-溶胶等微电子加工工艺制作SBD，其流程如图2所示。在进行光刻胶匀胶步骤（图2中200步骤）之前，我们需要对金刚石薄膜表面进行湿化学氧化预处理，这是因为MPCVD沉积的金刚石薄膜表面多为氢终止状态（C-H键为主），一般氢终止表面具有良好的表面导电性和负的电子亲合势，会导致降低肖特基接触势垒高度，且会在肖特基接触Au电极与表面形成导电通道，从而使器件的漏电流增大[10]，因此我们首先将金刚石薄膜置于在浓硫酸和浓硝酸的混合溶液（体积比为 3：1）中煮沸30分钟，然后去离子水清洗即可，测量薄膜表面接触角发现其值从89°降低到19°，表明金刚石薄膜表面氧终止化已成功；随后采用匀胶机在金刚石层表面形成均匀的光刻胶（正胶）膜，厚度约为4 ？m，并在100 ？C下保温30分钟，以去除胶膜中的溶剂（图2中200步骤）；在欧姆接触电极光刻掩模板的保护下，采用254 nm紫外光曝光，丙酮显影后将未被曝光的光刻胶溶解（步骤300），形成欧姆接触电极图案；利用电子束蒸发镀膜技术蒸镀金属Ti膜，移走曝光光刻胶区域后形成图案化的Ti电极，并在氮气气氛下于550？C下快速退火20分钟（步骤400）；随后，在肖特基接触电极光刻掩模板的保护下，二次匀胶并光刻制得所需要的图案（步骤500）；最后通过电子束蒸发镀膜，一步原位同时在金刚石表面形成肖特基接触Au电极和在Ti电极上形成欧姆接触Au电极（步骤600），并在氮气气氛下于600？C下退火1小时已形成保证Ti/Au层的良好欧姆接触和Au层的稳定肖特基势垒。图3为制作好的SBD的（a）欧姆接触电极、（b）整体接触电极以及（c）封装后SBD的实物图。

3 结果与讨论

在本实验中，我们选用了四种不同硼掺杂浓度的（110）织构化多晶金刚石薄膜制作了相同结构的SBD，从而考察薄膜内硼掺杂浓度对SBD性能的影响。表1为四个金刚石薄膜的B/C比、载流子浓度以及电阻率等电学参数特性。可以看出，在所采用的四个金刚石薄膜样品中，其载流子浓度和电阻率分别呈指数的下降和上升，基本上覆盖了目前MPCVD法制备掺硼金刚石的浓度变化范围，具有较好的代表性和可比性。

待器件封装完毕后，我们对以上四个SBD进行电流-电压（I-V）整流特性测试，其结果如图4所示，其中二极管内欧姆接触电极和肖特基接触电极的宽度和相邻两电极之间的间距均取最优化值，分别为0.01 mm（电极宽度）和0.08 mm（极间距）。由图4a可以看出，当金刚石薄膜内B/C比为10000 ppm时，即重掺杂时，SBD的I-V特性几乎为一条直线，呈现为电阻特性，无任何二极管特性，表明在重掺杂容易导致贯穿隧道效应，Ti/Au电极和Au电极与金刚石之间的势垒高度很低，空穴很容易穿过势垒，使得器件表面金属与半导体接触时，形成了良好的欧姆接触，而非肖特基接触。从图4b可以看出，2#金刚石薄膜样品所制备的SBD展现了一定的二极管特性，但是反向漏电流较大，这可能是由于高硼浓度掺杂导致金刚石薄膜内的晶界和缺陷密度过高有关，因为从金刚石的沉积过程来看，增加掺硼浓度有利于降低金刚石的晶粒尺寸，从而导致晶界和其他缺陷含量增加[11]。当进一步降低金刚石薄膜中B/C比至2000 ppm时（3#样品），所制备的SBD呈现了较好的二极管整流特性，其中开关电压约为1.85 V（如图4c所示）。当金刚石薄膜内B/C比将至400 ppm时，所制备的SBD在-5 V ～ 5 V之间展现了良好的二极管整流特性，其反向漏电流更小，约为10-10 A，其整流比达到约103量级（如图4d所示）。与3#金刚石样品所制备的SBD相比，4#金刚石样品的正向电流更小（～ 103量级差），同时开启电压也更高（增加了约0.8 V），这主要是由于4#金刚石薄膜样品的电阻率比3#样品的高所致。从以上结果可以看出，欲获得性能优异的金刚石SBD器件，需要合理地控制硼的掺杂量，若过高的话，SBD的势垒过低，整流特性较差；然而过低的话，会使SBD器件的内阻较大，作为功率器件的话能耗过大。

4 结论

（1）针对（110）织构化掺硼多晶金刚石薄膜的特点，设计了一种新型的“叉指状”平面型SBD；

（2）采用传统的微电子器件制作工艺成功实现了基于金刚石薄膜的SBD制作，其中金属电极宽度和电极间距在一定范围内均可控；

（3）在较低掺硼浓度时，SBD整流比可达103左右，反向漏电流约为10-10 A量级，但SBD的内阻较大导致正向电流值较小，开启电压较大等不足之处。

参考文献

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[9] 熊鹰，王兵，楚士晋，择优取向掺硼金刚石（BDD）薄膜的制备及表征，安全与环境科学，出版中。

[10] XIONG Y（熊鹰），WANG B（王兵），LI（代丽）， et al.； Physica Status Solidi A， 2014， 211： 2744-2748.

[11] ZHUANG H， FU H Y， JIANG X， Surface & Coating Technology， 2014， 259： 526-531.

作者简介

熊鹰（1980-），副教授。通讯作者：王兵（1967-），男，教授，从事金刚石薄膜的制备及器件研究。