专利名称：半导体和钛酸钡p－n结的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子学领域，特别是涉及一系列新型p-n结。
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。钛酸钡(BaTiO3)是一种功能性材料，它是一种具有代表性的铁电体，具有优良的铁电、介电、压电、热释电、光电和非线性光学等特性。在存储器、光探测、光折变等方面已有很多的研究和广泛应用(如文献1M.Sayer and K.Sreenivas，Science，247(1990)1056)；文献2Gene H.Hearting，J.Vac.Sci.Technol A，9(1991)414)。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3中国专利，专利号ZL93104553.3)。我们用Nb部分替代Ti得到n型的BaNbxTi1-xO3(如文献4中国专利，专利申请号99108057.2)，用In或Mn部分替代Ti得到p型BaInxTi1-xO3(如文献5中国专利，专利申请号99123795.1)和BaMnxTi1-xO3(如文献6中国专利，专利申请号001000058.6)。我们也已制备出BaTiO3晶体管。(如文献7中国专利，专利申请号00100367.4)。
本发明的目的在于提供一系列具有广泛应用的半导体和钛酸钡的p-n结，其中半导体是硅或锗或砷化镓。本发明提供的p-n结包括多晶，单晶，非晶或多晶、单晶和非晶交替混合的复合型的二极管、三极管、多基极三极管以及多发射极三极管等多种结构。本发明可广泛应用于电子学线路和探测器。
本发明的目的是这样实现的以硅和钛酸钡p-n结为例，采用替位掺杂法，使用激光分子束外延、脉冲激光淀积、磁控溅射、电子束蒸发、分子束外延、化学沉积或汽相外延等制膜方法，制备n型钛酸钡BaAxTi1-xO3或Ba1-xLaxTiO3薄膜材料，其中A是Nb或Sb或Ta；制备p型钛酸钡BaBxTi1-xO3，其中B是In或Ga或Mn。所有x的取值范围为0.005～0.5。
将一层n型钛酸钡生长在p型硅衬底上，或将一层p型钛酸钡生长在n型硅衬底上，则在钛酸钡和硅的界面处形成一个p-n结。
将一层n型钛酸钡生长在与其载流子浓度不同的n型硅衬底上，则在钛酸钡和硅的界面上形成一个n-n结。
将一层p型钛酸钡生长在与其载流子浓度不同的p型硅衬底上，则在钛酸钡和硅的界面上形成一个p-p结。
同样，也可以将n型或p型的硅生长在n型或p型钛酸钡衬底或薄膜上形成p-n、n-n、p-p结。
将n型或p型的钛酸钡与硅按npn或pnp的结构进行三层叠层生长，即可形成n-p-n结和p-n-p结，用来制备n-p-n和p-n-p三极管。因此，对于硅和钛酸钡的n-p-n结和p-n-p结，具有硅/钛酸钡/钛酸钡、硅/硅/钛酸钡、硅/钛酸钡/硅和钛酸钡/硅/钛酸钡等不同结构。
钛酸钡材料如果缺氧，其氧空位也可使钛酸钡具有n型导电特性，因此在制备钛酸钡和硅p-n结时，也可不选用掺杂钛酸钡而在低氧压下生长钛酸钡，使其形成氧空位成为n型钛酸钡。
钛酸钡和硅的p-n结与锗硅p-n结类似，可以按照需要设计，既可以是平面生长的，也可以是选区生长形成，还可以是腐蚀或刻蚀形成。制备p-n结叠层或选区生长的钛酸钡和硅薄膜，可以是多晶，非晶，单晶，也可以是多晶、非晶或单晶的交替混和生长。钛酸钡和硅p-n结的引出与封装，完全可以借用硅锗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一层SiO2一样，在钛酸钡和硅p-n结或p-p结或n-n结或p-n-p结或n-p-n结薄膜的上表面生长绝缘隔离层。绝缘隔离层可以是SiO2或SrTiO3或ZrO2或BaTiO3或LaAlO3或Al2O3，然后再刻蚀出引电极孔，蒸镀金属层，光刻、刻蚀引线，封装也可采用锗硅电路已有的管壳。
同上所述，以锗或砷化镓代替硅，就可以制备出锗或砷化镓和钛酸钡的p-n结、p-p结、n-n结、p-n-p结、n-p-n结等不同的结构。
本发明提供的半导体和钛酸钡的p-n结的制作工艺简单，稳定性好，将成为一种具有特点和广泛应用的电子器件，尤其是在存储器、光探测等方面将会有特殊应用。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明
图1为BaMn0.2Ti0.8O3(p)/Si(n)结构p-n结二极管伏安特性曲线，图2为BaNb0.3Ti0.7O3(n)/Si(p)结构p-n结二极管伏安特性曲线，图3为BaNb0.3Ti0.7O3(n)/Si(n)结构n-n结二极管伏安特性曲线。
实施例1用激光分子束外延，在电阻率为2～6Ω.cm，2英寸单面抛光n型单晶Si衬底上生长250nm厚的非晶BaMn0.2Ti0.8O3薄膜，将生长好薄膜的Si衬底切割成1mm×1mm的管芯，分别在每个管芯的上下表面用铟焊上0.1mm铜丝做电极，制备出硅和钛酸钡p-n结二极管。
图1是上述二极管测得的伏安特性曲线。
实施例2按实施例1制作，用Ba0.6La0.4TiO3代替BaMn0.2Ti0.8O3外延生长在n型Si衬底上，制备硅和钛酸钡p-n结晶体二极管。
实施例3按实施例1制作，用磁控溅射制膜方法，制备硅和钛酸钡p-n结二极管。
实施例4按实施例1制作，用分子束外延方法，在n型Si衬底上外延生长200nm厚的BaIn0.05Ti0.95O3薄膜，制备硅和钛酸钡p-n晶体二极管。
实施例5用激光分子束外延，在电阻率为0.1～0.5Ω·cm，3英寸单面抛光的p型单晶Si衬底上生长300nm厚的BaNb0.3Ti0.7O3薄膜，制备硅和钛酸钡p-n二极管。
图2是上述二极管测得的伏安特性曲线。
实施例6用激光分子束外延，在电阻率为2～6Ω·cm的2英寸单面抛光的n型单晶Si衬底上生长200nm厚的BaNb0.3Ti0.7O3制备硅和钛酸钡n-n二极管。
图3是上述二极管测得的伏安特性曲线。
实施例7用磁控溅射法，把BaTa0.05Ti0.95O3生长在电阻率为0.03～0.08Ω·cm的p型Si衬底上，制备硅和钛酸钡p-n二极管。
实施例8用脉冲激光淀积法，把BaTa0.5Ti0.5O3生长在电阻率为200～250Ω·cm的p型单晶硅上，制备硅和钛酸钡p-n结二极管。
实施例9用化学沉积法，把Ba0.7La0.3TiO3生长在电阻率为1～5Ω·cm的p型单晶Si上，制备硅和钛酸钡p-n结二极管。
实施例10按实施例1制作，用电阻率为2～6Ω·cm的2英寸n型锗代替硅，制备锗和钛酸钡p-n结二极管。
实施例11按实施例1制作，用电阻率为2～6Ω·cm的2英寸n型砷化镓代替硅，制备砷化镓和钛酸钡p-n结二极管。
实施例12用激光分子束外延，选用电阻率为0.2～0.5Ω·cm，4英寸n型单晶Si做衬底和三极管的发射极e，在n型Si上生长500nm厚的BaIn0.3Ti0.7O3做基极b，再在BaIn0.3Ti0.7O3上生长BaNb0.1Ti0.9O3做集电极c。用光刻和粒子束刻蚀的方法分别刻蚀出Φ30μm圆形集电极c，和Φ40～50μm的半圆环基极b电极孔，在刻蚀好的薄膜表面再淀积500nm的SiO2做绝缘隔离层，在隔离层SiO2上光刻和刻蚀出电极引线，压焊引线，封管壳制备成硅和钛酸钡n-p-n三极管。
实施例13按实施例12制备，在集电极c的周围制备3个基极b，制备成多基极硅和钛酸钡n-p-n三极管。
实施例14按实施例12制备，在做基极b的BaIn0.3Ti0.7O3薄膜上生长400nm载流子浓度为1016的n型Si代替BaNb0.1Ti0.9O3做集电极，制备成硅和钛酸钡n-p-n三极管。
实施例15按实施例12制备，用电阻率为0.02～0.05Ω·cm的4英寸n型锗代替n型Si，制备锗和钛酸钡n-p-n三极管。
实施例16按实施例12制备，用电阻率为0.2～0.5Ω·cm的2英寸n型砷化镓代替n型Si，制备砷化镓和钛酸钡n-p-n三极管。
实施例17用分子束外延，选用电阻率为0.01～0.05Ω·cm的4英寸p型Si为衬底，并做发射极e，在p型Si上外延1μm厚的BaNb0.1Ti0.9O3做基极b，再在BaNb0.1Ti0.9O3的薄膜上外延350nm的BaMn0.05Ti0.95O3做集电极c，用光刻和刻蚀制备集电极20μm×20μm，基极50μm×50μm的硅和钛酸钡p-n-p三极管。
实施例18按实施例17制作，用p型砷化镓代替硅做基底和发射极e，并用载流子浓度为1016的p型砷化镓代替BaMn0.05Ti0.95O3做集电极c，制备砷化镓和钛酸钡p-n-p三极管。
实施例19用磁控溅射方法，在40mm×40mm SrTiO3基底上首先外延800nm的BaNb0.05Ti0.95O3薄膜做集电极c，在BaNb0.05Ti0.95O3薄膜上外延350nm载流子浓度约1017的p型Si做基极b，再在p型Si上外延400nm的BaNb0.4Ti0.6O3做发射极e。用500nm的SiO2做绝缘隔离层，用光刻和粒子束刻蚀制备电极和引线，制备n-p-n型硅和钛酸钡晶体三极管。
实施例20按实施例19制作，刻蚀3个发射极e，制备多发射极砷化镓和钛酸钡n-p-n三极管。
实施例21按实施例19制作，用2英寸的ZrO2做基底代替SrTiO3，用载流子浓度约1017的p型砷化镓做基极b，用激光分子束外延制备砷化镓和钛酸钡n-p-n三极管。
实施例22
用脉冲激光淀积，在2英寸的LASAT基底上首先生长2μm厚的BaIn0.5Ti0.5O3薄膜做发射极e，在BaIn0.5Ti0.5O3薄膜上生长600nm载流子浓度约1018的n型Si做基极b，再在n型Si上生长300nm的BaMn0.1Ti0.9O3做集电极c。用500nm的SiO2做绝缘隔离层，用光刻和粒子束刻蚀制备电极和引线，制备p-n-p型硅和钛酸钡三极管。
实施例23用双面抛光，电阻率为1～5Ω·cm的p型硅为基底，在硅的一个表面用激光分子束外延生长800nm的BaTa0.005Ti0.995O3薄膜，再在BaTa0.005Ti0.995O3薄膜上生长500nm的载流子浓度约1017的p型硅。此结构可以用光刻和刻蚀制备p-n-p型硅和钛酸钡三极管。也可以切成一定尺寸，如5mm·5mm、10mm·10mm等，把钛酸钡两面的Si作电极，对钛酸钡薄膜极化，制备成红外探测器。
实施例24按实施例23制作，用锗代替硅制备红外探测器。
权利要求
1.半导体和钛酸钡p-n结，其特性在于n型和p型的半导体为掺杂的硅或锗或砷化镓；n型钛酸钡为BaAxTi1-xO3或Ba1-xLaxTiO3，其中A是Nb或Sb或Ta，p型钛酸钡为BaBxTi1-xO3，其中B是In或Mn，X＝0.005～0.5；将p型和n型钛酸钡材料与n型和p型半导体材料进行叠层生长，制备p-n结、p-p结、n-n结、n-p-n结、p-n-p结。
2.按权利要求1所述的半导体和钛酸钡p-n结，其特性在于所选的钛酸钡和半导体材料可以是多晶，非晶，单晶，也可以是多晶、非晶和单晶的混和结构。
全文摘要
本发明涉及电子学领域,特别是涉及一系列新型p－n结。本发明将n型BaA
文档编号H01L21/3115GK1371136SQ0110406
公开日2002年9月25日 申请日期2001年2月21日 优先权日2001年2月21日
发明者吕惠宾, 颜雷, 戴守愚, 陈正豪, 周岳亮, 陈凡, 谈国太, 杨国桢 申请人:中国科学院物理研究所