一种具有周期性的表面电势梯度的材料的制备方法与流程

本发明涉及集成电路设计及其器件制备技术领域，更具体地涉及一种具有周期性的表面电势梯度的材料的制备方法。

背景技术

同一块基片上，两边形成电势差，有一些电子就会向另一边扩散，交界处就出现了电子和空穴的浓度差，从而形成pn结。pn结结构目前有很多的应用。在光催化剂中合成pn结结构，不同的表面电势形成电势梯度，能够有效改善光催化活性[journaloftheamericanchemicalsociety.136,1872-1878(2014)]。pn结结构对太阳能电池的电学性能也有一定程度上的优化[naturenanotechnology.9,257-261(2014)]。以pn结为物质基础的半导体二极管、双极性二极管等已经广泛应用于智能系统的超大规模集成电路的设计，在电子技术中具有广泛的实际应用潜力，吸引了大量的研究关注[naturecommunications.8,14948(2017)]等等。

目前，构建表面电势梯度，制备pn结结构的方法，主要是离子束研磨、反应离子刻蚀、离子掺杂、两种不同材料层压法等。但是，采用这些方法，会导致制备的成本和复杂度都非常高。

由于具有表面电势梯度的材料的制备方法的成本和复杂度的降低有利于产品的多样性方面以及产品性能方面的发展，而在智能系统的集成电路设计及其器件制备技术领域，就微电子产业技术发展的实际情况来看，正需要在产品的多样性方面以及产品性能方面实现现代化发展，因此发明一种简单、高效的方法对未来微电子业的发展非常重要。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种具有周期性的表面电势梯度的材料的制备方法，以实现具有周期性的表面电势梯度的材料的大面积制备，降低成本和复杂度。

sic单晶作为第三代半导体材料的代表，具有禁带宽度大、饱和电子漂移速率大、临界击穿场强高和热导率高等优势，可以用于制备耐高温、散热好、耐高压、高频大功率器件。而sic在离子束辐照条件下，表面电势会变化。由于与sic类似的半导体材料在离子束辐照条件下表面电势会变化的特性，本发明可以基于上述原理构建pn结结构，进而为半导体材料制备周期性的表面电势梯度提供一种简单高效的新方法。

本发明所述的一种具有周期性的表面电势梯度的材料的制备方法，用于在半导体材料表面形成电势梯度，其特征在于，包括如下步骤：s1，提供一种半导体材料基底；s2，提供一种掩模；s3，将掩模固定于半导体材料的顶表面上形成样品；s4，利用离子束辐照样品，以使未被掩模覆盖的半导体材料的顶表面的电势升高或降低并与其余半导体材料的顶表面形成电势差，其中，控制离子的种类、能量和剂量以调控表面的电势变化。

所述步骤s4包括：将样品置于离子束真空靶室中进行离子束辐照，在结束辐照后从离子束真空靶室中取出样品，然后去除掩模。

离子的剂量在1×10¹³ions/cm²-1×10¹⁸ions/cm²之间。优选地，离子的能量在10kev-10mev之间，离子的剂量在1×10¹⁴ions/cm²-1×10¹⁷ions/cm²之间。离子的种类为元素周期表中的所有元素离子，优选地，离子的能量在20kev-7mev之间，离子的剂量在2.5×10¹⁴ions/cm²-5×10¹⁶ions/cm²之间。应该理解，上面所列举的离子的种类、能量和剂量在此仅作为示例而非限制。

所述电势差在64.9mv-265.2mv之间。

所述半导体材料为硅或碳化硅。应该理解，上面所列举的半导体材料在此仅作为示例而非限制，其还可以适用于其他辐照后表面电势会发生变化的半导体材料。优选地，所述半导体材料为单晶si或4h-sic。应该理解，上面所列举的半导体材料在此仅作为示例而非限制，例如3c或者6h晶体类型的碳化硅同样可行。

所述掩模具有开孔。优选地，所述开孔的数量为多个，且在掩模上呈周期性分布。所述掩模为铝箔或透射电镜铜网。应该理解，上面所列举的掩模在此仅作为示例而非限制。实际上，所述掩模可以为任意材料、任意形状，孔径形状和尺寸也可以为几十纳米到毫米。

所述掩模的厚度可以为几百纳米到几十微米。优选地，掩模厚度为30μm。应该理解，上面所列举的掩模的厚度在此仅作为示例而非限制。

本发明首次将离子束辐照技术应用于调控半导体材料表面电势领域，制备了一种具有周期性的表面电势梯度的材料。除了说明书中所列举的材料之外，凡是通过实验表明其表面电势能够通过离子束辐照产生变化的材料，都可以通过本发明的方法制备具有表面电势梯度的材料。本发明利用离子束辐照技术，可以通过调控离子的种类，能量和剂量来调控表面电势的变化大小，同时通过掩模调控电势进而调控具有电势梯度的区域。本发明的方法在半导体材料上直接加工，通过掩模的选择可以实现具有周期性的表面电势梯度的材料的大面积制备，过程简单、速度快，成本低廉，具有良好的应用前景；此外，本发明的制备方法仅仅通过改变掩模的形状就可以得到具有任意分布尤其是周期性分布的表面电势梯度的材料，使得该制备方法简单，复杂性低，适用于推出多样性的pn结结构，构建新型器件，优化器件性能，应用于各种电子系统。

附图说明

图1为根据本发明在4h-sic表面以铝箔作为掩模，利用xe离子辐照后的表面电势图。(a)为4h-sic以1mevxe离子、剂量2.5×10¹⁴ions/cm²，铝箔为掩模辐照后的afm表面电势图，辐照后表面电势降低。(b)为图(a)中白线处对应的电势分布图。

图2为根据本发明在4h-sic表面以1000目方孔透射电镜铜网为掩模，利用ar离子辐照得到的具有表面电势梯度的材料。(a)为本发明的掩模方孔透射电镜铜网的om图片。(b)为4h-sic以20kevar离子、剂量7.5×10¹⁵ions/cm²，以方孔透射电镜铜网作为掩模辐照后的om图片。(c)为其原子力显微镜(afm)表面电势图，辐照后表面电势增加。(d)为图(c)中白线处对应的电势分布图。

图3为根据本发明在4h-sic表面以1000目方孔透射电镜铜网为掩模，利用ar离子辐照后的表面电势图。(a)为4h-sic以20kevar离子、剂量5×10¹⁶ions/cm²，以铜网作为掩模辐照后的afm表面电势图，辐照后表面电势降低。(b)为图(a)中白线处对应的电势分布图。

图4为根据本发明在4h-sic表面以铝箔作为掩模，xe离子辐照后的表面电势图。(a)为4h-sic以7mevxe离子、剂量5×10¹⁴ions/cm²，铝箔覆盖一半辐照后的afm表面电势图，辐照后表面电势降低。(b)为图(a)中白线处对应的电势分布图。

图5为根据本发明在单晶si表面以铝箔作为掩模，ar离子辐照后的表面电势图。(a)为si以20kevar离子、剂量5×10¹⁶ions/cm²，铝箔覆盖一半辐照后的afm表面电势图，辐照后表面电势降低。(b)为图(a)中白线处对应的电势分布图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

实施例1

(1)样品制备：在4h-sic半导体材料的顶表面将铝箔作为掩模覆盖样品一部分。掩模固定于半导体材料的顶表面上，由此形成样品。

(2)将样品放置在离子束辐照装置的靶室中，抽真空至10^-4pa，随后用能量为1mev的xe离子进行辐照，辐照剂量为2.5×10¹⁴ions/cm²。辐照结束后，取出靶室，除去掩模后采用原子力显微镜(afm)测量得到的表面电势图如图1(a)所示，其示出了半导体材料的表面电势，表明未被掩模覆盖的顶表面(即辐照部分)表面电势降低，而其余部分表面电势保持不变，且该辐照部分的电势变化比较均匀。图1(b)是图1(a)的白线处对应的电势，白线处的高度差表示未被掩模覆盖的半导体材料的顶表面相对于其余半导体材料的顶表面电势降低，其电势差为265.2mv，从而形成了表面电势梯度。

实施例2

(1)样品制备：在4h-sic半导体材料的顶表面固定30μm厚的透射电镜铜网作为掩模以控制周期性电势的分布形状。其中，透射电镜铜网的光学显微镜(om)图如图2(a)，其具有1000目、直径约18μm的方孔，该方孔的数量为多个且呈在透射电镜铜网上呈周期性分布。

(2)将样品放置在离子束辐照装置的靶室中，抽真空至10^-4pa，随后用能量为20kev的ar离子进行辐照，辐照剂量为7.5×10¹⁵ions/cm²。辐照结束后，取出靶室，除去掩模后采用光学显微镜(om)观察辐照区域表面轮廓的图片如图2(b)所示，其示出了表面形成周期性的图案。采用原子力显微镜(afm)测量得到的表面电势图如图2(c)所示，其示出了半导体材料具有周期性的表面电势。图2(d)是图2(c)的白线处对应的电势，白线处的高度差表示未被掩模覆盖的半导体材料的顶表面相对于其余半导体材料的顶表面电势升高，其电势差约为64.9mv，从而形成了周期性的表面电势和相应的周期性的表面电势梯度。

实施例3

(1)样品制备：在4h-sic半导体材料的顶表面固定30μm厚的透射电镜铜网作为掩模以控制周期性电势的分布形状。其中，透射电镜铜网具有1000目、直径约18μm的方孔，该方孔的数量为多个且在透射电镜铜网上呈周期性分布。

(2)将样品放置在离子束辐照装置的靶室中，抽真空至10^-4pa，随后用能量为20kev的ar离子进行辐照，辐照剂量为5×10¹⁶ions/cm²。辐照结束后，取出靶室，除去掩模后采用原子力显微镜(afm)测量得到的表面电势图如图3(a)所示，其示出了半导体材料具有周期性的表面电势。图3(b)是图3(a)的白线处对应的电势，白线处的高度差表示未被掩模覆盖的半导体材料的顶表面相对于其余半导体材料的顶表面电势降低，其电势差约为73.8mv，从而形成了周期性的表面电势和相应的周期性的表面电势梯度。

实施例4

(1)样品制备：在4h-sic半导体材料的顶表面将铝箔作为掩模覆盖样品一部分。

(2)将样品放置在离子束辐照装置的靶室中，抽真空至10^-4pa，随后用能量为7mev的xe离子进行辐照，辐照剂量为5×10¹⁴ions/cm²。辐照结束后，取出靶室，除去掩模后采用原子力显微镜(afm)测量得到的表面电势图如图4(a)所示，其示出了半导体材料的表面电势。图4(b)是图4(a)的白线处对应的电势，白线处的高度差表示未被掩模覆盖的半导体材料的顶表面相对于其余半导体材料的顶表面电势降低，其电势差约为135.1mv，从而形成了表面电势梯度。

实施例5

(1)样品制备：在单晶si半导体材料的顶表面将铝箔作为掩模覆盖样品一部分。

(2)将样品放置在离子束辐照装置的靶室中，抽真空至10^-4pa，随后用能量为20kev的ar离子进行辐照，辐照剂量为5×10¹⁶ions/cm²。辐照结束后，取出靶室，除去掩模后采用原子力显微镜(afm)测量得到的表面电势图如图5(a)所示，其示出了半导体材料的表面电势。图5(b)是图5(a)的白线处对应的电势，白线处的高度差表示未被掩模覆盖的半导体材料的顶表面相对于其余半导体材料的顶表面电势降低，其电势差约为432.1mv，从而形成了表面电势梯度。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化，例如本发明采用的掩模可以为任意形状，其上设置的开孔也可以不具有周期性分布，从而形成不具有周期性的表面电势。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。