低势垒高度肖特基二极管及其制备方法与流程

本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种低势垒高度肖特基二极管及其制备方法。

背景技术：

随着半导体产业的飞速发展,寻找新材料替代传统硅基材料已经成为普遍的趋势。目前，锗因其极高的载流子迁移率，且与半导体工艺兼容，被认为是最具潜力的半导体材料。肖特基势垒二极管(sbd)由于其技术的重要性，在材料、器件物理、设计和应用方面已有数十年的广泛研究。众所周知，sbd的性能和可靠性受到沉积金属和半导体表面之间的界面质量的极大影响。金属-半导体(m-s)结构中的电流控制的主要参数是半导体的掺杂浓度nd和m-s结构界面处的肖特基势垒高度(sbh)。sbh值取决于金属的功函数。对于ge(锗)，电荷中性能级(cnl)正好在价带之上，导致金属费米能级钉扎。虽然钉扎原因还没有完全理解，主要认为是金属诱导的间隙状态(migs)的作用，也就是金属中的自由电子波函数进入半导体带隙诱导间隙受主或施主样状态。费米能级钉扎的存在，使得肖特基二极管的势垒高度显著增加，肖特基二极管的势垒高度与金属功函数相对独立，从而影响肖特基二极管的性能。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低势垒高度肖特基二极管及其制备方法用于解决现有技术中的肖特基二极管存在金属费米能级钉扎效应，从而使得肖特基二极管的势垒高度较高，进而影响肖特基二极管的性能的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低势垒高度肖特基二极管的制备方法，所述低势垒高度肖特基二极管的制备方法包括如下步骤：

1)提供一基底；

2)于所述基底的表面形成石墨烯薄膜；

3)对所述石墨烯薄膜进行氟化处理以形成氟化石墨烯绝缘层；

4)于所述氟化石墨烯绝缘层表面沉积金属电极，以于所述金属电极与所述基底之间形成肖特基结；

5)去除所述肖特基结所在区域之外的所述氟化石墨烯绝缘层，并裸露出所述基底；

6)于裸露的所述基底表面形成欧姆接触电极。

可选地，步骤1)中提供的所述基底包括锗基底。

可选地，所述锗基底包括n型锗基底。

可选地，步骤2)中，采用化学气相沉积法于所述基底的表面原位生长所述石墨烯薄膜。

可选地，步骤3)中，采用六氟化硫气体对所述石墨烯薄膜进行等离子体氟化处理，以使得所述石墨烯薄膜全部转换为氟化石墨烯绝缘层。

可选地，步骤5)中，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺去除所述肖特基结所在区域之外的所述氟化石墨烯绝缘层。

本发明还提供一种低势垒高度肖特基二极管，所述低势垒高度肖特基二极管包括：

基底；

金属电极，位于所述基底上，以于所述金属电极与所述基底之间形成肖特基结；

氟化石墨烯绝缘层，位于所述基底的表面，且位于所述金属电极与所述基底之间；

欧姆接触电极，位于所述氟化石墨烯绝缘层所在区域之外的所述基底的表面。

可选地，所述基底包括锗基底。

可选地，所述锗基底包括n型锗基底。

可选地，所述金属电极包括钛/金电极。

如上所述，本发明的一种低势垒高度肖特基二极管及其制备方法，具有以下有益效果：

本发明的低势垒高度肖特基二极管的制备方法通过将石墨烯薄膜进行氟化处理形成氟化石墨烯绝缘层后再形成金属电极，利用氟化石墨烯绝缘层作为金属电极与基底之间的插层，氟化石墨烯绝缘层不会在基底中产生migs(金属诱导带隙态)钉扎效应；同时，氟化石墨烯绝缘层可以阻挡金属电极与基底之间的互相扩散，可以形成均匀性极高的肖特基结面；金属电极与基底之间由于氟化石墨烯绝缘层的存在，可以大大降低金属电极对基底的费米能级钉扎效应，从而降低肖特基二极管中基底与金属电极之间形成的肖特基结势垒高度；

本发明所述的低势垒高度肖特基二极管通过在金属电极与基底之间设置氟化石墨烯绝缘层，氟化石墨烯绝缘层不会在基底中产生migs(金属诱导带隙态)钉扎效应；同时，氟化石墨烯绝缘层可以阻挡金属电极与基底之间的互相扩散，可以形成均匀性极高的肖特基结面；金属电极与基底之间由于氟化石墨烯绝缘层的存在，可以大大降低金属电极对基底的费米能级钉扎效应，从而降低肖特基二极管中基底与金属电极之间形成的肖特基结势垒高度。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中提供的低势垒高度肖特基二极管的制备方法的流程图。

图2显示为本发明实施例一中提供的低势垒高度肖特基二极管的制备方法步骤1)所得结构的立体结构示意图。

图3显示为本发明实施例一中提供的低势垒高度肖特基二极管的制备方法步骤2)所得结构的立体结构示意图。

图4显示为本发明实施例一中提供的低势垒高度肖特基二极管的制备方法步骤3)所得结构的立体结构示意图。

图5显示为本发明实施例一中提供的低势垒高度肖特基二极管的制备方法步骤4)所得结构的立体结构示意图。

图6显示为本发明实施例一中提供的低势垒高度肖特基二极管的制备方法步骤5)所得结构的立体结构示意图。

图7显示为图6沿aa方向的截面结构示意图。

图8显示为本发明实施例一中提供的低势垒高度肖特基二极管的制备方法步骤6)所得结构的立体结构示意图。

图9显示为图8沿aa方向的截面结构示意图。

元件标号说明

10基底

11石墨烯薄膜

12氟化石墨烯薄膜

13金属电极

14欧姆接触电极

s1～s6步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1，本发明提供一种低势垒高度肖特基二极管的制备方法，所述低势垒高度肖特基二极管的制备方法包括如下步骤：

1)提供一基底；

2)于所述基底的表面形成石墨烯薄膜；

3)对所述石墨烯薄膜进行氟化处理以形成氟化石墨烯绝缘层；

4)于所述氟化石墨烯绝缘层表面沉积金属电极，以于所述金属电极与所述基底之间形成肖特基结；

5)去除所述肖特基结所在区域之外的所述氟化石墨烯绝缘层，并裸露出所述基底；

6)于裸露的所述基底表面形成欧姆接触电极。

在步骤1)中，请参阅图1中的s1步骤及图2，提供一基底10。

作为示例，所述基底10可以包括任意一种电荷中性能级正好在价带的基底；优选地，所述基底10可以包括但不仅限于锗(ge)基底；更为优选地，本实施例中，所述基底10包括n型锗基底。

在步骤2)中，请参阅图1中的s2步骤及图3，于所述基底10的表面形成石墨烯薄膜11。

作为示例，可以采用但不仅限于化学气相沉积法于所述基底10的表面原位生长所述石墨烯薄膜11。

作为示例，所述石墨烯薄膜11可以为单原子层石墨烯薄膜，也可以为多原子层石墨烯薄膜。优选地，本实施例中，所述石墨烯薄膜11为1～3原子层厚度的石墨烯薄膜，1～3原子层厚度的石墨烯薄膜可以确保得到的氟化石墨烯绝缘层可以起到阻挡金属电极与所述基底10之间的互相扩散，可以形成均匀性极高的肖特基结面，可以大大降低金属电极对所述基底10的费米能级钉扎效应，从而降低肖特基二极管中所述基底10与金属电极之间形成的肖特基结势垒高度的作用。

在步骤3)中，请参阅图1中的s3步骤及图4，对所述石墨烯薄膜11进行氟化处理以形成氟化石墨烯绝缘层12。

作为示例，可以采用含氟气体形成等离子体后对所述石墨烯薄膜11进行氟化处理，优选地，本实施例中，采用六氟化硫(sf6)气体对所述石墨烯薄膜11进行等离子体氟化处理。

作为示例，当所述石墨烯薄膜11为单原子层石墨烯薄膜时，对所述石墨烯薄膜11进行氟化处理后，所述石墨烯薄膜11全部转换为所述氟化石墨烯绝缘层12；而当所述石墨烯薄膜11为多原子层石墨烯薄膜时，在对所述石墨烯薄膜11进行氟化处理的过程中，只有顶层原子层石墨烯转化为所述氟化石墨烯绝缘层12，而其他的石墨烯薄膜11并不会被氟化，而是仍保持石墨烯薄膜状态，即对所述石墨烯薄膜11进行氟化处理后，仅为部分所述石墨烯薄膜11转化为所述氟化石墨烯绝缘层12，亦即，在氟化处理后，所述氟化石墨烯绝缘层12与所述基底10之间还保留有所述石墨烯薄膜11。但优选地，本实施例中，对所述石墨烯薄膜11进行氟化处理后，所述石墨烯薄膜11全部转换为所述氟化石墨烯绝缘层12，这样可以确保所述氟化石墨烯绝缘层12可以最大限度地阻挡后续形成的金属电极与所述基底10之间的互相扩散，以最大限度地降低金属电极与所述基底10之间的费米能级钉扎效应。

在步骤4)中，请参阅图1中的s4步骤及图5，于所述氟化石墨烯绝缘层12表面沉积金属电极13，以于所述金属电极13与所述基底10之间形成肖特基结。

作为示例，可以采用但不仅限于电子束蒸发法形成所述金属电极13。当然，在其他示例中，还可以采用其他任意一种沉积方法形成所述金属电极13。具体的，可以先于所述氟化石墨烯绝缘层12表面形成一图形化掩膜层，所述图形化掩膜层内形成有定义出所述金属电极13的位置及形状的开口，然后再于所述开口内的所述氟化石墨烯绝缘层12表面形成所述金属电极13。

当然，在其他示例中，可以先采用电子束蒸发法等工艺于所述氟化石墨烯绝缘层12表面形成一层金属电极材料层，然后再于所述金属电极材料层上形成一层图形化掩膜层，所述图形化掩膜层内形成有定义出所述金属电极13的位置及形状的图形，最后再依据所述图形化掩膜层刻蚀所述金属电极材料层即得到所述金属电极13。

作为示例，所述金属电极13包括钛(ti)/金(au)电极，即所述金属电极13包括钛金属层及金金属层，所述钛金属层位于所述氟化石墨烯绝缘层12的表面，所述金金属层位于所述钛金属层远离所述氟化石墨烯绝缘层12的表面。当然，在其他示例中，所述金属电极13也可以为钛金属电极、金金属电极、铜金属电极或镍金属电极等等。

作为示例，所述金属电极13的具体形状可以根据实际需要进行设定，此处不做限制。

在步骤5)中，请参阅图1中的s5步骤及图6至图7，去除所述肖特基结所在区域之外的所述氟化石墨烯绝缘层12，并裸露出所述基底10。

作为示例，可以采用电感耦合等离子体刻蚀(icp)工艺去除所述肖特基结所在区域之外的所述氟化石墨烯绝缘层12。具体的，可以依据所述金属电极13为刻蚀阻挡层对所述氟化石墨烯绝缘层12进行刻蚀，刻蚀后，仅有所述氟化石墨烯绝缘层12位于所述金属电极13正下方的部分被保留了下来，裸露于所述金属电极13之外的所述氟化石墨烯绝缘层12均被去除。当然，为了在去除所述氟化石墨烯绝缘层12的过程中对所述金属电极13造成损伤，也可以先在所述金属电极13的表面形成保护层，再对所述氟化石墨烯绝缘层12进行刻蚀去除。

需要说明的是，在该步骤中，裸露于所述金属电极13之外的所述氟化石墨烯绝缘层12被全部去除；而当所述氟化石墨烯绝缘层12下方具有所述石墨烯薄膜11时，位于所述金属电极13之外的所述石墨烯薄膜11也同样被一并去除，以在刻蚀后裸露出所述基底10。

在步骤6)中，请参阅图1中的s6步骤及图8至图9，于裸露的所述基底10表面形成欧姆接触电极14。

作为示例，可以通过在裸露的所述基底10表面沉积形成大面积电极作为所述欧姆接触电极14。所述欧姆接触电极14的面积可以根据实际需要进行时设定，譬如，所述欧姆接触电极14可以覆盖所述基底10形成有所述欧姆接触电极14的表面的5/1～1/2等等。

作为示例，所述欧姆接触电极14可以包括金属电极，所述欧姆接触电极14的材料可以与所述金属电极13的材料相同。

本发明的低势垒高度肖特基二极管的制备方法通过将所述石墨烯薄膜11进行氟化处理形成氟化石墨烯绝缘层12后再形成所述金属电极13，利用所述氟化石墨烯绝缘层12作为所述金属电极13与所述基底10之间的插层，所述氟化石墨烯绝缘层12不会在基底中产生migs(金属诱导带隙态)钉扎效应；同时，所述氟化石墨烯绝缘层12可以阻挡所述金属电极13与所述基底10之间的互相扩散，可以形成均匀性极高的肖特基结面；所述金属电极13与所述基底10之间由于所述氟化石墨烯绝缘层12的存在，可以大大降低所述金属电极13对所述基底10的费米能级钉扎效应，从而降低肖特基二极管中所述基底10与所述金属电极13之间形成的肖特基结势垒高度。

实施例二

请结合图2至图7继续参阅图8至图9，本发明还提供一种低势垒高度肖特基二极管，所述低势垒高度肖特基二极管包括：

基底10；

金属电极13，所述金属电极13位于所述基底10上，以于所述金属电极13与所述基底10之间形成肖特基结；

氟化石墨烯绝缘层12，所述氟化石墨烯绝缘层12位于所述基底10的表面，且位于所述金属电极13与所述基底10之间；

欧姆接触电极14，所述欧姆接触电极14位于所述氟化石墨烯绝缘层12所在区域之外的所述基底10的表面。

作为示例，所述基底10可以包括任意一种电荷中性能级正好在价带的基底；优选地，所述基底10可以包括但不仅限于锗(ge)基底；更为优选地，本实施例中，所述基底10包括n型锗基底。

作为示例，所述氟化石墨烯绝缘层12为对于所述基底10的表面原位生长所述石墨烯薄膜11进行氟化处理而得到的结构，具体的，可以采用含氟气体形成等离子体后对所述石墨烯薄膜11进行氟化处理得到所述氟化石墨烯绝缘层12，优选地，本实施例中，采用六氟化硫(sf6)气体对所述石墨烯薄膜11进行等离子体氟化处理得到所述氟化石墨烯绝缘层12。

作为示例，所述金属电极13包括钛(ti)/金(au)电极，即所述金属电极13包括钛金属层及金金属层，所述钛金属层位于所述氟化石墨烯绝缘层12的表面，所述金金属层位于所述钛金属层远离所述氟化石墨烯绝缘层12的表面。当然，在其他示例中，所述金属电极13也可以为钛金属电极、金金属电极、铜金属电极或镍金属电极等等。

作为示例，所述金属电极13的具体形状可以根据实际需要进行设定，此处不做限制。

作为示例，可以通过在裸露的所述基底10表面沉积形成大面积电极作为所述欧姆接触电极14。所述欧姆接触电极14的面积可以根据实际需要进行时设定，譬如，所述欧姆接触电极14可以覆盖所述基底10形成有所述欧姆接触电极14的表面的5/1～1/2等等。

作为示例，所述欧姆接触电极14可以包括金属电极，所述欧姆接触电极14的材料可以与所述金属电极13的材料相同。

作为示例，所述低势垒高度肖特基二极管还包括石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜位于所述氟化石墨烯绝缘层12与所述基底10之间。

本发明所述的低势垒高度肖特基二极管通过在所述金属电极13与所述基底10之间设置所述氟化石墨烯绝缘层12，所述氟化石墨烯绝缘层12不会在所述基底10中产生migs(金属诱导带隙态)钉扎效应；同时，所述氟化石墨烯绝缘层12可以阻挡所述金属电极13与所述基底10之间的互相扩散，可以形成均匀性极高的肖特基结面；所述金属电极13与所述基底10之间由于所述氟化石墨烯绝缘层12的存在，可以大大降低所述金属电极13对所述基底10的费米能级钉扎效应，从而降低肖特基二极管中所述基底10与所述金属电极13之间形成的肖特基结势垒高度。

综上所述，本发明低势垒高度肖特基二极管及其制备方法，所述低势垒高度肖特基二极管的制备方法包括如下步骤：1)提供一基底；2)于所述基底的表面形成石墨烯薄膜；3)对所述石墨烯薄膜进行氟化处理以形成氟化石墨烯绝缘层；4)于所述氟化石墨烯绝缘层表面沉积金属电极，以于所述金属电极与所述基底之间形成肖特基结；5)去除所述肖特基结所在区域之外的所述氟化石墨烯绝缘层，并裸露出所述基底；6)于裸露的所述基底表面形成欧姆接触电极。本发明的低势垒高度肖特基二极管的制备方法通过将石墨烯薄膜进行氟化处理形成氟化石墨烯绝缘层后再形成金属电极，利用氟化石墨烯绝缘层作为金属电极与基底之间的插层，氟化石墨烯绝缘层不会在基底中产生migs(金属诱导带隙态)钉扎效应；同时，氟化石墨烯绝缘层可以阻挡金属电极与基底之间的互相扩散，可以形成均匀性极高的肖特基结面；金属电极与基底之间由于氟化石墨烯绝缘层的存在，可以大大降低金属电极对基底的费米能级钉扎效应，从而降低肖特基二极管中基底与金属电极之间形成的肖特基结势垒高度；本发明所述的低势垒高度肖特基二极管通过在金属电极与基底之间设置氟化石墨烯绝缘层，氟化石墨烯绝缘层不会在基底中产生migs(金属诱导带隙态)钉扎效应；同时，氟化石墨烯绝缘层可以阻挡金属电极与基底之间的互相扩散，可以形成均匀性极高的肖特基结面；金属电极与基底之间由于氟化石墨烯绝缘层的存在，可以大大降低金属电极对基底的费米能级钉扎效应，从而降低肖特基二极管中基底与金属电极之间形成的肖特基结势垒高度。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。