CN1828930A - 在基片上形成的电子器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在由已知半导体电子器件中使用的材料组成的基片上形成的包括氧化钼的半导体电子器件。本发明还涉及用于在由已在通常的电子和光子器件中使用的材料组成的基片上制造所述电子器件的新方法。适当的基片由诸如以下的材料组成：诸如硅和锗之类的单质半导体、诸如砷化镓和磷化镓之类的III－V化合物半导体、诸如氧化锌之类的II－IV化合物半导体、IV化合物半导体、有机半导体、金属晶体以及它们的衍生物或玻璃。
Description
技术领域
本发明涉及由在已知半导体电子器件中使用的材料组成的基片上形成的包括氧化钼的半导体电子器件。
更加具体地，本发明涉及由新的半导体制成的场效应晶体管、双极晶体管、具有高击穿电压的晶闸管以及恶劣环境电子器件，其能够解决由诸如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)之类的具有大能带隙的已知半导体制成的这样的器件带来的难题。
本发明还涉及用于在由已在通常的电子和光子器件中使用的材料组成的基片上制造所述电子器件的新方法。
背景技术
近来，在诸如家用电子产品、汽车、机床以及照明之类的各种领域中使用了诸如双极晶体管、场效应晶体管以及晶闸管之类的所谓功率器件。随着应用的增加，高效且高速地转换和控制电功率对功率器件而言是所需要的。尽管已使用硅(Si)制造功率器件很长时间，但是预测了硅器件的限制。限制来自大约1电子伏(eV)的硅的能带隙很小的事实。已进行了广泛的研究，以实现由具有大的能带隙的半导体、亦即所谓的宽隙半导体制成的功率器件，以克服限制。具体地，已广泛地进行了使用能带隙大约为3.43eV的氮化镓(GaN)或能带隙大约为3.2eV的碳化硅(SiC)的功率器件的开发。
另一方面，由来自宇宙射线或汽车的噪声和热量引起的电子器件的误差或故障已成为严重问题。已弄清能抵抗具有噪声或热量的严峻环境的所谓恶劣环境器件应当由具有大的能带隙的半导体制成。已从这些观点出发进行了使用GaN或SiC的电子器件的开发。然而对于实现由GaN或SiC制成的电子器件，存在许多要解决的另外的问题。
最严重的问题之一在于，GaN的块晶尚未获得，因为氮的平衡蒸汽压相对于镓的平衡蒸汽压非常高。因此，使用由蓝宝石或碳化硅(SiC)组成的基片。在蓝宝石基片上不能直接形成GaN，因为在蓝宝石和GaN之间存在16％的晶格失配。因此在生长GaN之前，在蓝宝石基片上形成氮化铝(AlN)的缓冲层。AlN是电阻性的，因为难以将杂质掺入到AlN中。在诸如双极晶体管和晶闸管之类的包括多层半导体的器件中使用蓝宝石基片对于它们的结构和制造工艺而言是非常不利的。另一方面，SiC基片非常昂贵，因为SiC的块晶要在2200-2400℃的非常高的温度下生长。使用SiC基片的GaN器件或SiC器件是非常昂贵的。
对于实现新器件要解决的问题是获得替换诸如蓝宝石或SiC之类的昂贵基片的新基片。
第二个严重的问题是实现能够在比形成GaN或SiC层的温度更低的温度下生长的新器件。有必要在高于1000℃的温度下形成GaN或SiC的层。在高温下形成半导体层需要大量能量。另外，存在层之间原子移动、成分被干扰或者掺杂物在层之间的界面附近移动的可能性。
通过使用氧化钼用于这样的光子器件，能够部分解决上述问题。本发明的发明人发现，高质量氧化钼晶体具有大于3.2eV的能带隙，并且非常适用于在光子和电子器件中使用(美国专利申请No.10/848,145和No.10/863,288)。
在上述专利申请中，描述了本发明的发明人发现的事实和方法。它们被总结如下：
(i)高质量氧化钼晶体具有3.45～3.85eV的能带隙。通过对具有大于10μm的厚度的氧化钼层的实验获得该结果，所述氧化钼层通过在具有99.9995％的纯度的氧气中氧化具有99.99％的纯度的钼板生长。例如，通过在550℃下氧化120分钟形成的氧化钼具有3.66eV的能带隙。本发明的发明人发明的方法形成的氧化钼具有大于以前报导的能带隙的原因在于，它是具有大于以前报导的厚度的高质量氧化钼晶体。能带隙受到层的结构，亦即晶体或非晶体、层中的应变以及纯度的影响。(ii)可以证实，本发明人的方法形成的氧化钼也是基于电子性质的测量结果的半导体。
然而，在上述专利申请中，通过氧化部分的金属钼板来形成氧化钼晶体。部分的金属钼板被留下而没有氧化。因为钼板不是晶体，所以不能使用诸如劈理之类的某些制造技术。进而，当通过氧化钼板来形成时，精确控制氧化钼层的厚度是困难的。
因此需要在新的基片上形成具有大于3.2eV的能带隙的半导体晶体层，所述新的基片优选地由在已知器件中使用的材料组成，并且优选地是晶体。
在本专利中，能够在由已在通常的电子和光子器件中使用的材料组成的基片上形成氧化钼膜。最普遍的材料是硅。本发明能够解决基片上的最严重的问题之一。
在本发明中，在低于850℃的温度下通过新方法能够在基片上形成氧化钼膜。因此，本发明能够解决第二个严重的问题。
发明内容
本发明针对包含在基片上生长的金属氧化物的半导体电子器件及其制造方法。
具体地，本发明使用作为金属氧化物的氧化钼，其具有大于3.2eV的能带隙，并且非常适用于制造诸如二极管、双极晶体管、场效应晶体管以及具有高耐压的晶闸管之类的电子器件。本发明同样针对由高纯度氧化钼组成的恶劣环境电子器件。
本发明的重要方面在于，能够在已在通常的光子和电子器件中传统上使用的材料组成的基片上形成氧化钼膜。可以用作这样的基片材料的最普遍的材料是硅。
本发明的另一个重要方面在于在基片上制造电子器件的新颖方法。根据这种新颖的方法，在基片上形成金属氧化物的至少第一层，优选地在基片上直接形成氧化钼。本发明的新颖方法包括以下系列步骤。第一步，在生长室中布置基片和源材料。作为源材料，典型地使用钼板，并且典型的基片是硅。第二步，在生长室中形成温度分布，以便源材料处的温度高于基片处的温度。第三步，在形成温度分布之后，使氧气流动一段预定时间，这取决于形成特定器件所需的氧化钼的厚度。
能够通过使用包括和上述步骤类似的步骤的任何方法来形成电子器件中的(一个或多个)氧化钼层。在那些情况下，基片可以充当部分的器件。
适当的基片由从以下选择的材料组成：诸如硅和锗之类的IV单质半导体、诸如砷化镓和磷化镓之类的III-V化合物半导体、诸如氧化锌之类的II-IV化合物半导体、IV化合物半导体、有机半导体、金属晶体以及它们的衍生物或玻璃。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的场效应晶体管的结构的示意图；
图2显示了通过模拟在图1中显示了其结构的场效应晶体管获得的500℃下的电流-电压特性；
图3是根据本发明的第二实施例的双极晶体管的示意图；
图4显示了通过模拟在图3中显示了其结构的双极晶体管获得的500℃下的电流-电压特性；
图5是根据本发明的第三实施例的晶闸管的示意图
图6显示了通过模拟在图5中显示了其结构的晶闸管获得的耐压和接通电阻之间的关系。
具体实施方式
现在将对本发明的优选实施例更加详细地进行参考。
通过使用由已在通常的电子和光子器件中使用的材料组成的基片上形成的作为诸如二极管、场效应晶体管、双极晶体管以及晶闸管之类的电子器件的至少一部分的高纯度氧化钼，解决了上述问题。
本发明针对至少部分由具有大于3.45eV的能带隙的高纯度氧化钼组成的电子器件。所述器件包括电阻器件、二极管、晶体管、霍尔效应器件、热控管、变阻器、晶闸管以及存储器件。
图1是根据本发明的第一实施例的场效应晶体管100的示意图。在图中，基片101由硅组成。然而，能够使用其他材料。在基片101上形成氧化钼层102。通过以下步骤形成层102。在这个例子中，钼(Mo)板用作源，并且使用硅(Si)基片。首先，漂洗并干燥源和硅基片101。然后将它们放置在生长室中。下一步，加热生长室，以便在氮保护气氛下，源区的温度为630℃，并且基片区的温度为530℃。在将源和基片101分别加热到所述温度之后，将高纯度氧流入到生长室中并且保持6个小时。层102的厚度为6μm。尽管并未有意掺杂层102，但是它为具有1.0×1016cm-3的载流子浓度的n型。可以认为氧空位充当施主。层102充当缓冲层，其限制因为层102具有不同于基片101的成分而引起的层102中的无序。当不必要使器件的特性尽可能好时，不必要形成层102。
在层102上，形成具有更高质量的n型氧化钼层103。通过具有下述生长条件的和用于形成层102类似的方法形成氧化钼层103，所述生长条件为：源温度为670℃，并且基片温度为600℃。它为具有6.0×1016cm-3的载流子浓度的n型。层103的厚度为0.2μm。层103是场效应晶体管100的沟道层。
在层103上形成由铂和金的双层组成的肖特基电极110，作为场效应晶体管100的栅。在层103上，同样形成源111和漏112电极。所述电极由金/钛/金三层组成。
通过假设栅长度为2.5μm并且栅宽度为100μm的模拟显示，场效应晶体管具有极好的特性：具有30mS/mm的最大互导。图2显示了通过模拟获得的500℃下的电流-电压特性。还显示其具有大于100V的稳定耐压。模拟中假设氧化钼的能带隙为3.75eV。上面显示的结果意味着，通过使用高纯度氧化钼，能够实现具有高耐压的场效应晶体管和极好的恶劣环境场效应晶体管，而不必使用昂贵的基片和高温下的制造工艺。
图3是根据本发明的第二实施例的双极晶体管200的示意图。在这个实施例中，基片201由硅组成。然而其他材料能够用作基片。在基片201上形成氧化钼层202。通过以下步骤形成层202。在这个例子中，钼(Mo)板用作源，并且使用硅(Si)基片。首先，漂洗并干燥源和硅基片201。然后将它们放置在生长室中。下一步，加热生长室，以便在氮保护气氛下，源区的温度为630℃，并且基片区的温度为530℃。在将源和基片201分别加热到所述温度之后，将高纯度氧流入到生长室中并且保持6个小时。层202的厚度为6μm。尽管并未有意掺杂层202，但是它为具有1.0×1016cm-3的载流子浓度的n型。可以认为氧空位充当施主。层202充当缓冲层，其限制因为层202具有不同于基片201的成分而引起的层202中的无序。当不需要使器件的特性尽可能好时，不必要形成层202。
在层202上形成具有更好质量的n型氧化钼层203。层203具有6.0×1016cm-3的载流子浓度以及450nm的厚度。它起到双极晶体管200的集电极的作用。通过具有下述生长条件的和用于形成层202类似的方法形成层203，所述生长条件为：源温度为670℃，并且基片温度为600℃。其载流子浓度为6.0×1016cm-3，并且厚度为450nm。层203充当双极晶体管200的集电极。
在层203上形成用锌掺杂到2.0×1017cm-3的载流子浓度的p型氧化钼层204。通过具有下述生长条件的和用于形成层202类似的方法形成层204，所述生长条件为：源温度为650℃，并且基片温度为550℃。将作为掺杂物源的氧化锌粉末放置在源和基片之间，其中温度为640℃。层204的厚度为350nm。层204具有双极晶体管200的基极的功能。在层204上形成n型氧化钼层205，其具有3.0×1017cm-3的载流子浓度以及400nm的厚度。层205具有作为双极晶体管200的发射极的功能。如图3所示，在除了外围区之外的基极层204上形成n型氧化钼层205，以便在基极层204上形成基极电极211。在发射极层205上形成发射极电极212。基极电极210和发射极电极212分别由镍/钛/金三层和铝/钛双层组成。集电极电极210由金组成，并且形成在硅基片201的背面上，因为硅基片201和层202是导电的。
图4显示了通过模拟在图3中显示了其结构的双极晶体管获得的500℃下的电流-电压特性。图4中显示的特性表明，由氧化钼形成的双极晶体管在例如500℃的高温下运行。已有报导说由GaN组成的双极晶体管在300℃下运行。然而由氧化钼组成的双极晶体管在更高的温度下运行。此外，并不需要昂贵的基片和高于1000℃的温度下的制造工艺。
图5是根据本发明的第三实施例的晶闸管300的结构的示意图。在图5中仅显示了对于功能而言的必要元素。晶闸管300包括硅基片。然而其他材料能够用作基片。在基片301上，形成了缓冲层302、p型氧化钼层303、n型氧化钼层304、p型氧化钼层305以及n型氧化钼层306。通过用于形成根据第一和第二实施例的器件中包括的层的蒸汽生长形成这些层。
用下述条件形成缓冲层302：源温度为680℃，并且基片301和掺杂物源氧化锌的温度为600℃。层302的厚度为6.0μm。用下述条件形成层303：源温度为670℃，氧化锌的温度为650℃，并且基片的温度为600℃。它是具有7.0×1017cm-3的载流子浓度的p型。层303的厚度为50nm。在层303上形成n型层304。用下述条件形成层304：源温度为640℃，并且基片的温度为540℃。层304具有2.0×1016cm-3的载流子浓度以及160nm的厚度。在层304上形成p型层305。用下述条件形成层305：源温度为630℃，氧化锌的温度为610℃，并且基片的温度为530℃。它具有7.0×1016cm-3的载流子浓度以及80nm的厚度。在除了其外围区之外的层305上形成n型氧化钼层306。用下述条件形成层306：源温度为700℃，并且基片的温度为630℃。层306具有3.0×1017cm-3的载流子浓度以及60nm的厚度。在层306上形成负电极311。在层305的外围暴露区上形成门电极312。在硅基片的背面上形成正电极313。负电极311由铝/钛双层组成。门电极312由镍/钛/金三层组成，并且正电极313由金组成。
对于假设氧化钼具有3.75eV的能带隙的在图5中显示了其结构的晶闸管的模拟显示，重复的断开状态电压为5200V，可控制的接通状态电流为5000A。在本领域中可以知道，由SiC形成的具有几乎相同结构的晶闸管具有4500V的重复断开状态电压和4000A的可控制接通状态电流。因此，由氧化钼组成的晶闸管具有优于由SiC组成的晶闸管的特性。在由GaN组成的晶闸管方面尚无报导。
图6显示了通过模拟图5中显示的晶闸管获得的耐压和接通状态电阻之间的关系。线1001显示对于由具有3.75eV的能带隙的氧化钼形成的晶闸管的关系，线1002显示了对于SiC器件的关系，而线1003则显示了对于Si器件的关系。图6中显示的结果表明，使用氧化钼能够获得具有相对于由Si或SiC形成的晶闸管的特性而言的优越得多的特性的晶闸管。亦即，具有比已知晶闸管的特性优越得多的特性的晶闸管，而不必使用昂贵的基片和高温下的制造工艺。
虽然在图5中显示了从形成负电极的顶层到底部包括了npnp型导电层的结构，但是从顶部到底部包括pnpn型导电层的结构也是允许的。
很明显，如果能够得到包括两个pn结的双极晶体管的话，那么就能够形成包括一个pn结的二极管。因此，本发明的范围中同样包括pn结二极管。
迄今已参考包括晶体管和晶闸管的一些实施例说明了本发明的细节。然而本发明的精神并不限于那些器件。本发明的优点来自于：高纯度氧化钼具有大的能带隙，并且能够在低于700℃、在许多情况下低于650℃的相对低的温度下形成。
已参考晶体管和晶闸管的实施例说明了本发明的细节。从高纯度氧化钼具有大能带隙的事实中获得的优点，在基于本发明的原理的其他电子器件中是适用的。另外，能够在由在已知半导体电子器件中使用的材料组成的基片上形成氧化钼的事实，使得它们在其他电子器件中更加有用。在本领域中很容易推导出本发明的这样的应用，并且它们都包括在本发明的范围中。
Claims (16)
1.一种半导体电子器件，其具有在基片上形成的氧化钼层，所述基片包含从以下选择的材料：IV单质半导体、III-V或II-IV化合物半导体、IV化合物半导体、有机半导体、金属晶体以及它们的衍生物或玻璃。
2.根据权利要求1所述的半导体电子器件，
其中，所述电子器件是电阻器件、二极管、晶体管、霍尔效应器件、变抗器、热控管、晶闸管以及存储器件。
3.根据权利要求1所述的半导体电子器件，
其中，所述氧化钼是具有等于或大于3.45eV的能带隙的高纯度氧化钼。
4.根据权利要求1所述的半导体电子器件，
其中，所述氧化钼是通过汽相沉积形成的高纯度氧化钼。
5.根据权利要求1所述的半导体电子器件，
其中，在其上形成氧化钼层的所述基片是硅基片。
6.根据权利要求1所述的半导体电子器件，
其中，所述电子器件是具有下述器件结构的晶闸管，所述器件结构由在所述基片上按照顺序堆叠起来的第一p型氧化钼层、第一n型氧化钼层、第二p型氧化钼层和第二n型氧化钼层组成。
7.根据权利要求1所述的半导体电子器件，
其中，所述电子器件是具有下述器件结构的晶闸管，所述器件结构由在所述基片上按照顺序堆叠起来的氧化钼的缓冲层、第一p型氧化钼层、第一n型氧化钼层、第二p型氧化钼层和第二n型氧化钼层组成。
8.根据权利要求1所述的半导体电子器件，
其中，所述电子器件是具有下述器件结构的晶闸管，所述器件结构由在所述基片上按照顺序堆叠起来的第一n型氧化钼层、第一p型氧化钼层、第二n型氧化钼层和第二p型氧化钼层组成。
9.根据权利要求1所述的半导体电子器件，
其中，所述电子器件是具有下述器件结构的晶闸管，所述器件结构由在所述基片上按照顺序堆叠起来的氧化钼的缓冲层、第一n型氧化钼层、第一p型氧化钼层、第二n型氧化钼层和第二p型氧化钼层组成。
10.根据权利要求6-9中任何一个所述的半导体电子器件，
其中，所述基片包含硅。
11.根据权利要求1所述的半导体电子器件，
其中，所述电子器件是场效应晶体管，其中所述氧化钼层至少用作所述场效应晶体管的沟道层。
12.根据权利要求1所述的半导体电子器件，
其中，所述电子器件是场效应晶体管，其中在硅基片上形成所述氧化钼层。
13.根据权利要求1所述的半导体电子器件，
其中，所述电子器件是场效应晶体管，其中至少一个氧化钼的缓冲层夹在所述沟道层和所述基片之间。
14.根据权利要求1所述的半导体电子器件，
其中，所述电子器件是双极晶体管，其中在所述双极晶体管中的发射区、基区和集电区中的至少一个中使用所述氧化钼层。
15.根据权利要求1所述的半导体电子器件，
其中，所述电子器件是双极晶体管，其中在硅基片上形成所述氧化钼层。
16.根据权利要求1所述的半导体电子器件，
其中，所述电子器件是双极晶体管，其中至少一个氧化钼的缓冲层夹在所述集电极和所述基片之间，或者夹在所述发射极和所述基片之间。
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