專利名稱：鈦酸鍶晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子學(xué)領(lǐng)域，特別是涉及電子學(xué)晶體管技術(shù)領(lǐng)域。
鍺硅p-n結(jié)的發(fā)現(xiàn)，使人類的生產(chǎn)、工作和生活發(fā)生了革命性的巨大變化。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，近些年來，硅半導(dǎo)體集成電路的集成度幾乎是逐年成量級地增加。但由于作為硅集成電路絕緣隔離層的SiO2的介電常數(shù)ε僅為3.8，使硅集成電路的集成度已接近極限。因此近年來，人們做了很大的努力，利用各種設(shè)備和手段，試圖在硅上外延生長SrTiO3等氧化物材料來取代SiO2。主要由于工藝上的問題及晶格失配等原因，到目前為止，此問題尚難以解決。(如文獻(xiàn)1R.A.McKee,et al.Phys.Rev.Lett.,81,(1998)3041)。另外，對于器件的穩(wěn)定性、功耗等都提出了更高的要求。由于鍺硅的熔點(diǎn)不太高，鍺硅器件的性能對溫度也比較敏感，所以對于高溫等極端條件，鍺硅器件也是難以勝任的。
自從高溫超導(dǎo)出現(xiàn)以來，對于氧化物材料和薄膜的研究取得了很大的進(jìn)展，特別是激光分子束外延等新型高精密制膜技術(shù)和設(shè)備的出現(xiàn)，使層狀外延生長多元素、高熔點(diǎn)的氧化物薄膜材料成為現(xiàn)實(shí)(如文獻(xiàn)2楊國楨、呂惠賓、陳正豪等，中國科學(xué)A,28(1998)260)。氧化物電子學(xué)也引起了人們的興趣與關(guān)注(如文獻(xiàn)3H.Koiuma,N.Kanda,et al.Appl.Surf.Sci 109/110,(1997)514)，利用摻雜等方法探索各種性能的材料。由于鈦酸鍶(SrTiO3)熔點(diǎn)高(2000多度)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其晶格常數(shù)與很多氧化物材料相配，因而是大家重點(diǎn)研究的氧化物材料之一。如用Nb,Ta部分替代SrTiO3中的Ti，用La部分替代SrTiO3中的Sr等，然而得到的都是n型SrTiO3，一直未能得到p型摻雜的SrTiO3材料。(如文獻(xiàn)4A.Leitner,C.T.Rogerset al,Appl.Phys.Lett.72,(1998)3065)。我們用Sb部分替代Ti得到n型SrSbxTi1-xO3(如文獻(xiàn)5中國專利，專利申請?zhí)?9108056。4)，用In部分替代Ti得到p型SrInxTi1-xO3(如文獻(xiàn)6中國專利，專利申請?zhí)?9123795.1)，這就為研究和制備鈦酸鍶p-n結(jié)打下了很好的基礎(chǔ)。
本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡單，穩(wěn)定性好的鈦酸鍶晶體管。通過摻雜提供p型和n型鈦酸鋇薄膜材料，再相互疊層而成晶體二極管、晶體三極管、多基極晶體三極管和多發(fā)射極晶體三極管，可廣泛地應(yīng)用于各類電子學(xué)電路。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的采用替位摻雜法，使用激光分子束外延，脈沖激光沉積，磁控濺射，電子束蒸發(fā)或分子束外延等制膜方法，在單晶基片(如SrTiO3,YSZ,LaAlO3,Nb:SrTiO3等)上制備出n型鈦酸鍶SrAxTi1-xO3或Sr1-xLaxTiO3薄膜材料，其中A是Nb或Sb；制備出p型鈦酸鍶SrBxTi1-xO3薄膜材料，其中B是In或Mn。所有x的取值范圍為0.005-0.5。把一層p型鈦酸鍶和一層n型鈦酸鍶外延在一起，這兩層導(dǎo)電類型不同的鈦酸鍶薄膜在界面處就形成一個p-n結(jié)，這個p-n結(jié)就構(gòu)成了鈦酸鍶晶體二極管；把一層p型鈦酸鍶和一層n型鈦酸鍶和另一層p型鈦酸鍶外延在一起，這三層鈦酸鍶薄膜就形成一個p-n-p結(jié)，這個p-n-p結(jié)就構(gòu)成了p-n-p鈦酸鍶三極管；把一層n型鈦酸鍶，一層p型鈦酸鍶和另一層n型鈦酸鍶外延在一起，這三層鈦酸鍶薄膜就形成了一個n-p-n結(jié)，這個n-p-n結(jié)就構(gòu)成了n-p-n鈦酸鍶三極管。
另外，也可以直接在p型鈦酸鍶基底上外延一層n型鈦酸鍶或在n型鈦酸鍶基底上外延一層p型鈦酸鍶，形成鈦酸鍶p-n結(jié)，用來制備鈦酸鍶二極管；或直接在p型鈦酸鍶基底上外延一層n型鈦酸鍶和另一層p型鈦酸鍶，形成鈦酸鍶p-n-p結(jié)，用來制備鈦酸鋇p-n-p三極管；或在n型鈦酸鍶基底上外延一層p型鈦酸鍶和另一層n型鈦酸鍶，形成鈦酸鍶n-p-n結(jié)，用來制備鈦酸鍶n-p-n三極管。
鍺硅晶體管主要是用擴(kuò)散的方法制備p-n結(jié)，鈦酸鍶晶體管完全是用外延的方法制備p-n結(jié)。它們都是靠摻雜濃度來控制載流子濃度。鈦酸鍶晶體管的結(jié)構(gòu)完全與鍺硅晶體管類似，可以按照要求和需要設(shè)計(jì)。鈦酸鍶晶體管電極的引出與封裝，完全可以借用鍺硅晶體管的已有設(shè)備與工藝，采用光刻，腐蝕或刻蝕，蒸鍍電極。如需要，與硅晶體管在刻蝕引線前先淀積SiO2一樣，在鈦酸鍶p-n結(jié)或p-n-p或n-p-n結(jié)薄膜的上表面外延絕緣隔離層，即在刻蝕出集電極，基極和發(fā)射極的電極槽后，在其外表面外延一層SrTiO3或ZrO2或BaTiO3或LaAlO3或Al2O3或SiO2，然后再刻蝕出引電極孔，其后就與鍺硅晶體管電極引線完全一樣，蒸鍍金屬層，光刻，刻蝕引線，封裝也可采用鍺硅晶體管已有的管殼。
本發(fā)明提供的鈦酸鍶晶體管，采用全外延工藝，因此每層的層厚和載流子濃度都較鍺硅晶體管更易控制，且結(jié)面更銳，而鈦酸鍶熔點(diǎn)高，穩(wěn)定性好，故鈦酸鍶晶體管將成為一種廣泛應(yīng)用的電子器件，亦可發(fā)展成為鈦酸鍶集成電路。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明

圖1SrNb0.01Ti0.99O3/SrIn0.1Ti0.9O3二極管的伏安特性曲線實(shí)施例1，用激光分子束外延，在5mm×10mm×0.5mm的雙面拋光的SrNb0.01Ti0.99O3的基底上，外延生長厚度為300nm的SrIn0.1Ti0.9O3薄膜，再將外延片切割成0.5mm×0.5mm的芯管，分別在每個管芯的上下表面用銦焊上φ80μ的銅絲做電極，制備鈦酸鍶晶體二極管。圖1是用上述二極管測得的伏安特性曲線。從圖1可以看出，其正反向特性都是非常好的。
實(shí)施例2，按實(shí)施例1制作，用脈沖激光沉積方法制備。
實(shí)施例3，用激光分子束外延，在3mm×10mm×0.5mm雙面拋光的SrNb0.01Ti0.99O3基底上，先外延100nm厚的SrIn0.05Ti0.95O3薄膜，用一個硅片做的擋板，在外延片上方0.5mm的高度遮擋二分之一外延片表面，被遮擋部分為引電極之用。再在沒被遮擋的二分之一SrIn0.05Ti0.95O3薄膜表面外延200nm厚的SrNb0.1Ti0.9O3薄膜。將外延片沿垂直擋板線的方向切成寬0.5mm的長條。摻鈮n型基底做集電極C，摻銦p型薄膜層做基極b，最上面摻鈮n型薄膜做發(fā)射極e，用銦焊上φ50μ的銅絲做三個電極，制備鈦酸鍶n-p-n晶體三極管。我們已觀測到三極管的伏安特性。
實(shí)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SrIn0.05Ti0.95O3薄膜做集電極，在SrIn0.05Ti0.95O3的薄膜上外延150nm的SrNb0.05Ti0.95O3薄膜做基極，再在SrNb0.05Ti0.95O3薄膜上外延200nm的SrIn0.2Ti0.8O3薄膜做發(fā)射極e。用光刻和離子束刻蝕的方法分別刻蝕出φ20μ-φ30μ和φ40-φ50μ的半圓形基極b和集電極c的電極孔。在刻蝕好電極孔的外延片表面再外延400nm的SrTiO3做絕緣隔離層。在隔離層SrTiO3上光刻和刻蝕出三個電極引線孔后，在表面蒸鍍200nm的鋁，光刻和刻蝕出電極引線，壓焊引線，封裝管殼制備成鈦酸鍶p-n-p晶體三極管。
實(shí)施例5，按實(shí)施例4做，用磁控濺射法制備薄膜。
實(shí)施例6，按實(shí)施例4做，用電子束蒸發(fā)制備薄膜。
實(shí)施例7，按實(shí)施例4做，用SrMn0.05Ti0.95O3薄膜做集電極c，用SrMn0.5Ti0.5O3薄膜做發(fā)射極e。
實(shí)施例8，按實(shí)施例4做，用光刻和離子束刻蝕的方法，在φ20μ-φ30μ的園環(huán)上刻蝕三個基極b的電極孔，在φ40μ-φ50μ與上同心半園上刻蝕一個集極c的電極孔，制備三個基極b的鈦酸鋇p-n-p晶體三極管。
實(shí)施例9，按實(shí)施例4做，用光刻和離子束刻蝕的方法，在φ30μ-φ40μ的半園環(huán)上刻蝕一個基極b的電極孔，在φ20μ與上同心園內(nèi)刻蝕三個發(fā)射極e的電極孔，在φ50μ-φ60μ與上同心半園上刻蝕一個集極c的電極孔，制備三個發(fā)射極e的鈦酸鋇p-n-p晶體三極管。
實(shí)施例10，
按實(shí)施例4做，用分子束外延設(shè)備制備薄膜。
實(shí)施例11，按實(shí)施例4做，用SrSb0.02Ti0.98O3薄膜做集電極c，用SrIn0.1Ii0.9O3薄膜做基極b，用SrSb0.3Ti0.7O3薄膜做發(fā)射極e。制備n-p-n鈦酸鍶晶體三極管。
實(shí)施例12，按實(shí)施例9做，用Sr0.98La0.02TiO3薄膜做集電極c，用Sr0.7La0.3TiO3薄膜做發(fā)射極e。
權(quán)利要求
1.一種鈦酸鍶晶體管，其特征在于在SrTiO3或YSZ或LaAlO3或Nb:SrTiO3單晶基片上將摻雜而成的p型和n型鈦酸鍶薄膜材料疊層外延在一起，形成p-n結(jié)，p-n-p結(jié)，n-p-n結(jié)及多結(jié)結(jié)構(gòu)，即成鈦酸鍶晶體二極管，晶體三極管，多基極晶體三極管，多發(fā)射極晶體三極管；其中n型鈦酸鍶為SrAxTi1-xO3或Sr1-xLaxTiO3，A是Nb或Sb；p型鈦酸鍶為SrBxTi1-xO3，B是In或Mn；x取值范圍為0.005-0.5。
2.按權(quán)利要求1所述的鈦酸鍶晶體管，其特征在于還可以不用單晶基片而直接用n型或p型鈦酸鍶為基底，在n型鈦酸鍶基底上外延一層p型鈦酸鍶或在p型鈦酸鍶基底上外延一層n型鈦酸鍶薄膜，形成p-n結(jié)，制備鈦酸鍶晶體二極管；在n型鈦酸鍶基底上外延一層p型和一層n型鈦酸鍶薄膜，形成n-p-n結(jié)，制備鈦酸鍶n-p-n晶體三極管；在p型鈦酸鍶基底上外延一層n型和一層p型鈦酸鍶薄膜，形成p-n-p結(jié)，制備鈦酸鍶p-n-p晶體三極管。
3.按權(quán)利要求1所述的鈦酸鍶晶體管，其特征在于還可以用氧化物材料SrTiO3或BaTiO3或ZrO2或LaAlO3或Al2O3或SiO2做隔離絕緣層。
全文摘要
本發(fā)明涉及電子學(xué)晶體管技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明將摻雜的n型和p型鈦酸鍶薄膜材料進(jìn)行疊層外延在一起,形成p－n結(jié),p－n－p結(jié),n－p－n結(jié)和多結(jié)結(jié)構(gòu),構(gòu)成鈦酸鍶晶體二極管,三極管,多基極三極管和多發(fā)射極三極管。本發(fā)明提供的鈦酸鍶晶體管工藝簡單,結(jié)面更銳,穩(wěn)定性好,故鈦酸鍶晶體管將成為一種廣泛應(yīng)用的電子器件,亦可發(fā)展成為鈦酸鍶集成電路。
文檔編號H01L29/70GK1306308SQ0010036
公開日2001年8月1日 申請日期2000年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月19日
發(fā)明者呂惠賓, 戴守愚, 陳凡, 趙彤, 陳正豪, 周岳亮, 王煥華, 何萌, 楊國楨 申請人:中國科學(xué)院物理研究所