专利名称：钛酸钡晶体管的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子学领域，特别是涉及电子学晶体管技术领域。
锗硅p-n结的发现，使人类的生产、工作和生活发生了革命性的巨大变化。随着科学技术的进步和发展，近些年来，硅半导体集成电路的集成度几乎是逐年成量级地增加。但由于作为硅集成电路绝缘隔离层的SiO2的介电常数ε仅为3.8，使硅集成电路的集成度已接近极限。因此近年来，人们做了很大的努力，利用各种设备和手段，试图在硅上外延生长SrTiO3等氧化物材料来取代SiO2。主要由于工艺上的问题及晶格失配等原因，到目前为止，此问题尚难以解决。(如文献1R.A.McKee,et al.Phys.Rev.Lett.,81,(1998)3041)。另外，对于器件的稳定性、功耗等都提出了更高的要求。由于锗硅的熔点不太高，锗硅器件的性能对温度也比较敏感，所以对于高温等极端条件，锗硅器件也是难以胜任的。
自从高温超导出现以来，对于氧化物材料和薄膜的研究取得了很大的进展，特别是激光分子束外延等新型高精密制膜技术和设备的出现，使层状外延生长多元素、高熔点的氧化物薄膜材料成为现实(如文献2杨国桢、吕惠宾、陈正豪等，中国科学A,28(1998)260)。氧化物电子学也引起了人们的兴趣与关注(如文献3H.Koiuma,N.Kanda.et al.Appl.Surf.Sci109/110,(1997)514)。
钛酸钡(BaTi03)是一种多功能材料，它是一种具有代表性的铁电体，具有优良的压电、热释电、电光和非线性光学等性能。在存储器、光探测、光折变等方面有着广泛的应用。(如文献4M.Sayer andK.Sreenivas,Science,247(1990)1056；和文献5Gene H.Hearting,J.Vac.Sci.Technol.A,9(1991)414)。由于钛酸钡(BaTiO3)熔点高，结构稳定，其晶格常数与很多氧化物材料相配，因而是大家重点研究的氧化物材料之一。人们利用在BaTiO3中掺杂的方法，提高和改变BaTiO3的某些特性。(如文献6中国专利，专利号ZL93104553.3。)我们用nb部分替代Ti得到n型BaNbxTi1-xO3(如文献7中国专利，专利申请号99108057。2)，用In部分替代Ti得到p型BaInxTi1-xO3(如文献8中国专利，专利申请号99123796.X)，这就为研究和制备钛酸钡p-n结打下了很好的基础。
本发明的目的是提供一种工艺简单，稳定性好的钛酸钡晶体管。本发明通过掺杂提供p型和n型钛酸钡薄膜材料，再相互叠层而成晶体二极管、晶体三极管、多基极晶体三极管和多发射极晶体三极管，可广泛地应用于各类电子学电路。
本发明的目的是这样实现的采用替位掺杂法，使用激光分子束外延，脉冲激光沉积，磁控溅射，电子束蒸发或分子束外延等制膜方法，在单晶基片(如SrTiO3,BaTiO3,YSZ,LaAlO3,Nb:SrTiO3等)上制备出n型钛酸钡BaAxTi1-xO3或Ba1-xLaxTiO3薄膜材料，其中A是Nb或Sb；制备出p型钛酸钡BaBxTi1-xO3薄膜材料，其中B是In或Mn。所有x的取值范围为0.005-0.5。把一层p型钛酸钡和一层n型钛酸钡外延在一起，这两层导电类型不同的钛酸钡薄膜在界面处就形成一个p-n结，这个p-n结就构成了钛酸钡晶体二极管；把一层p型钛酸钡和一层n型钛酸钡和另一层p型钛酸钡外延在一起，这三层钛酸钡薄膜就形成一个p-n-p结，这个p-n-p结就构成了p-n-p钛酸钡三极管；把一层n型钛酸钡，一层p型钛酸钡和另一层n型钛酸钡外延在一起，这三层钛酸钡薄膜就形成了一个n-p-n结，这个n-p-n结就构成了n-p-n钛酸钡三极管。
另外，也可以直接在p型钛酸钡基底上外延一层n型钛酸钡或在n型钛酸钡基底上外延一层p型钛酸钡，形成钛酸钡p-n结，用来制备钛酸钡二极管；或直接在p型钛酸钡基底上外延一层n型钛酸钡和另一层p型钛酸钡，形成钛酸钡p-n-p结，用来制备钛酸钡p-n-p三极管；或在n型钛酸钡基底上外延一层p型钛酸钡和另一层n型钛酸钡，形成钛酸钡n-p-n结，用来制备钛酸钡n-p-n三极管。
锗硅晶体管主要是用扩散的方法制备p-n结，钛酸钡晶体管完全是用外延的方法制备p-n结。它们都是靠掺杂浓度来控制载流子浓度。钛酸钡晶体管的结构完全与锗硅晶体管类似，可以按照要求和需要设计。钛酸钡晶体管电极的引出与封装，完全可以借用锗硅晶体管的已有设备与工艺，采用光刻，腐蚀或刻蚀，蒸镀电极。如需要，与硅晶体管在刻蚀引线前先淀积SiO2一样，在钛酸钡p-n结或p-n-p或n-p-n结薄膜的上表面外延绝缘隔离层，即在刻蚀出集电极，基极和发射极的电极槽后，在其外表面外延一层SrTiO3或ZrO2或BaTiO3或LaAlO3或Al2O3或SiO2，然后再刻蚀出引电极孔，其后就与锗硅晶体管电极引线完全一样，蒸镀金属层，光刻，刻蚀引线，封装也可采用锗硅晶体管已有的管壳。
钛酸钡具有介电、铁电、热释电、导电和光学非线性等多种性能，本发明提供的钛酸钡晶体管，采用全外延工艺，因此每层的层厚和载流子浓度都较锗硅晶体管更易控制，且结面更锐，而钛酸钡熔点高，稳定性好，故钛酸钡晶体管将成为一种广泛应用的电子器件，尤其是在存储器、光探测等方面会有特殊应用，亦可发展成为钛酸钡集成电路。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明
图1BaNb0.03Ti0.97O3/BaIn0.1Ti0.9O3二极管的伏安特性曲线实施例1，用激光分子束外延，在5mm×10mm×0.5mm的双面抛光的SrNb0.01Ti0.99O3的基底上，首先外延生长厚度为100nm的BaNb0.03Ti0.97O3薄膜，再在BaNb0.03Ti0.97O3薄膜上外延生长厚度为300nm的BaIn0.1Ti0.9O3薄膜。将外延片切割成0.5mm×0.5mm的芯管，分别在每个管芯的上下表面用铟焊上φ80μ的铜丝做电极，制备钛酸钡晶体二极管。
图1是用上述二极管测得的伏安特性曲线。从图1可以看出，其正反向特性都是非常好的。
实施例2，按实施例1制作，用脉冲激光沉积方法制备。
实施例3，用激光分子束外延，在3mm×10mm×0.5mm双面抛光的SrNb0.01Ti0.99O3基底上，先外延100nm厚的BaNb0.03Ti0.97TiO3薄膜，再在BaNb0.03Ti0.97TiO3薄膜上外延250nm厚的BaIn0.05Ti0.95O3薄膜，用一个硅片做的挡板，在外延片上方0.5mm的高度遮挡二分之一外延片表面，被遮挡部分为引电极之用。再在没被遮挡的二分之一BaIn0.05Ti0.95O3薄膜表面外延200nm厚的BaNb0.1Ti0.9O3薄膜。将外延片沿垂直挡板线的方向切成宽0.5mm的长条。掺铌钛酸锶基底做引线电极，n型BaNb0.03Ti0.97TiO3薄膜做集电极C，p型BaIn0.05Ti0.95O3薄膜做基极b，最上面n型BaNb0.1Ti0.9O3薄膜做发射极e，用铟焊上φ50μ的铜丝做三个电极，制备钛酸钡n-p-n晶体三极管。
我们已观测到三极管的伏安特性。
实施例4，用激光分子束外延，在φ30mm×0.5mm的SrTiO3基底上，先外延200nm厚的BaIn0.05Ti0.95O3薄膜做集电极，在BaIn0.05Ti0.95O3的薄膜上外延150nm的BaNb0.05Ti0.95O3薄膜做基极，再在BaNb0.05Ti0.95O3薄膜上外延200nm的BaIn0.2Ti0.8O3薄膜做发射极e。用光刻和离子束刻蚀的方法分别刻蚀出φ20μ-φ30μ和φ40-φ50μ的半圆形基极b和集电极c的电极孔。在刻蚀好电极孔的外延片表面再外延400nm的SrTiO3做绝缘隔离层。在隔离层SrTiO3上光刻和刻蚀出三个电极引线孔后，在表面蒸镀200nm的铝，光刻和刻蚀出电极引线，压焊引线，封装管壳制备成钛酸钡p-n-p晶体三极管。
实施例5，按实施例4做，用磁控溅射法制备薄膜。
实施例6，按实施例4做，用电子束蒸发制备薄膜。
实施例7，按实施例4做，用BaMn0.05Ti0.95O3薄膜做集电极c，用BaMn0.5Ti0.5O3薄膜做发射极e。
实施例8，按实施例4做，用光刻和离子束刻蚀的方法，在φ20μ-φ30μ的园环上刻蚀三个基极b的电极孔，在φ40μ-φ50μ与上同心半园上刻蚀一个集极c的电极孔，制备三个基极b的p-n-p钛酸钡晶体三极管。
实施例9，按实施例4做，用光刻和离子束刻蚀的方法，在φ30μ-φ40μ的半园环上刻蚀一个基极b的电极孔，在φ20μ与上同心园内刻蚀三个发射极e的电极孔，在φ50μ-φ60μ与上同心半园上刻蚀一个集极c的电极孔，制备三个发射极e的p-n-p钛酸钡晶体三极管。
实施例10，按实施例4做，用分子束外延设备制备薄膜。
实施例11，按实施例4做，用BaSb0.02Ti0.98O3薄膜做集电极c，用BaIn0.1Ti0.9O3薄膜做基极b，用BaSb0.3Ti0.7O3薄膜做发射极e。制备n-p-n钛酸钡晶体三极管。
实施例12，按实施例9做，用Ba0.98La0.02TiO3薄膜做集电极c，用Ba0.7La0.3TiO3薄膜做发射极e。
权利要求
1.一种钛酸钡晶体管，其特征在于在SrTiO3或BaTiO3或YSZ或LaAlO3或Nb:SrTiO3单晶基片上将掺杂而成的p型和n型钛酸钡薄膜材料叠层外延在一起，形成p-n结，p-n-p结，n-p-n结及多结结构，即成钛酸钡晶体二极管，晶体三极管，多基极晶体三极管和多发射极晶体三极管；其中n型钛酸钡为BaAxTi1-xO3或Ba1-xLaxTiO3,A是Nb或Sb；p型钛酸钡为BaBxTi1-xO3,B是In或Mnx取值范围为0.005-0.5。
2.按权利要求1所述的钛酸钡晶体管，其特征在于还可以不用单晶基片而直接用n型或p型钛酸钡为基底，在n型钛酸钡基底上外延一层p型钛酸钡或在p型钛酸钡基底上外延一层n型钛酸钡薄膜，形成p-n结，制备钛酸钡晶体二极管；在n型钛酸钡基底上外延一层p型和一层n型钛酸钡薄膜，形成n-p-n结，制备钛酸钡n-p-n晶体三极管；在p型钛酸钡基底上外延一层n型和一层p型钛酸钡薄膜，形成p-n-p结，制备钛酸钡p-n-p晶体三极管。
3.按权利要求1所述的钛酸钡晶体管，其特征在于还可以用氧化物材料SrTiO3或BaTiO3或ZrO2或LaAlO3或Al2O3或SiO2做隔离绝缘层。
全文摘要
本发明涉及电子学晶体管技术领域。本发明将掺杂的n型和p型钛酸钡薄膜材料进行叠层外延在一起,形成p－n结,p－n－p结,n－p－n结和多结结构,构成钛酸钡二极管,三极管,多基极三极管和多发射极三极管。本发明提供的钛酸钡晶体管,工艺简单,结面更锐,稳定性好,故将成为一种广泛应用的电子器件,尤其是在存储器、光探测等方面会有特殊应用,亦可发展成为钛酸钡集成电路。
文档编号H01L29/12GK1306309SQ0010036
公开日2001年8月1日 申请日期2000年1月19日 优先权日2000年1月19日
发明者吕惠宾, 戴守愚, 陈凡, 赵彤, 周岳亮, 陈正豪, 王焕华, 何萌, 杨国桢 申请人:中国科学院物理研究所