本發(fā)明涉及半導體，尤其涉及一種金剛石高溫歐姆接觸電極及其制備方法。

背景技術：

1、高溫歐姆接觸電極在半導體器件中起著至關重要的作用，尤其在高溫、高頻以及高功率應用中，電極與半導體基底的接觸性能直接影響器件的性能與可靠性。歐姆接觸電極能夠確保電流在半導體與外部電路之間的穩(wěn)定傳導，其低接觸電阻和良好的粘附力是高效電氣接觸的基礎。尤其在高溫環(huán)境下，電極材料的穩(wěn)定性、導電性以及與半導體基底的界面粘附力，決定了器件在極端條件下的工作穩(wěn)定性和使用壽命。因此，開發(fā)高溫下能夠保持良好接觸性能的歐姆接觸電極，成為提升高溫器件性能的關鍵。

2、在眾多半導體材料中，金剛石因其卓越的性能成為高溫半導體器件的理想選擇。金剛石具有極高的熱導率、極寬的禁帶寬度(約5.5ev)、優(yōu)秀的機械強度和化學穩(wěn)定性，因此在高溫、高功率、高頻等領域，尤其是在射頻器件、功率電子器件和高溫傳感器中展現(xiàn)出了巨大的應用潛力。金剛石基半導體器件在電子、光電、傳感器等方面具有顯著的優(yōu)越性，尤其適用于要求極高熱管理和抗輻射能力的高端應用。

3、然而，盡管金剛石作為半導體材料具有諸多優(yōu)勢，其高溫歐姆接觸電極的制備仍然面臨重大挑戰(zhàn)。金剛石與金屬電極之間存在較大的熱膨脹系數(shù)差異，這使得在高溫下電極與金剛石基底的接觸容易產生應力，導致電極的脫落或接觸不良。此外，金剛石的表面能較低，金屬材料與金剛石的粘附性差，導致電極和基底之間的界面強度不足，難以在高溫下維持穩(wěn)定的歐姆接觸?，F(xiàn)有的技術雖然通過采用過渡層、退火處理等方法在一定程度上改善了金剛石與電極的接觸性能，但這些方法仍然面臨著接觸電阻過高、熱穩(wěn)定性差、長期使用中的性能衰退等問題，無法完全滿足金剛石半導體器件在極端環(huán)境下的高效、穩(wěn)定運行需求。

4、因此，如何設計和制備一種高溫下具有優(yōu)異性能的歐姆接觸電極，特別是提高金剛石基半導體器件的電極粘附力、降低接觸電阻，并確保其在極高溫度和長時間使用中的穩(wěn)定性，仍然是當前金剛石半導體技術發(fā)展的一個關鍵難題。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出了一種金剛石高溫歐姆接觸電極及其制備方法，以解決現(xiàn)有的高溫歐姆接觸電極粘附力不足、在高溫環(huán)境中穩(wěn)定性差，長期使用中的性能衰退等技術問題。

2、本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：一方面，本發(fā)明提供了一種金剛石高溫歐姆接觸電極，所述電極包括基底，所述基底表面依次設有金剛石襯底、梯度化界面緩沖層、防擴散層和電極層；

3、所述梯度化界面緩沖層包括高碳親和性金屬層及其碳化物過渡層，所述高碳親和性金屬層接觸防擴散層，碳化物過渡層接觸金剛石襯底；

4、所述防擴散層為過渡金屬氮化物層和貴金屬層交替形成的兩層或多層結構。

5、本發(fā)明通過在金剛石襯底和金屬層之間引入梯度化界面緩沖層(如ti/tic/diamond過渡結構)，可以逐步匹配兩者之間的熱膨脹系數(shù)差異，減少熱應力，從而有效防止高溫下的界面開裂或剝離。梯度化界面緩沖層的存在能夠緩解不同材料間因熱膨脹不同引起的應力集中，提升接觸電極的穩(wěn)定性。

6、防擴散層位于梯度化界面緩沖層上方，為所述防擴散層由過渡金屬氮化物層和貴金屬層交替形成的多層結構(如tin/pt/tan三層高密度材料)，其中tin與高碳親和性金屬接觸，向上的順序依次為高碳親和性金屬/tin/pt/tan，三層高密度材料構成的防擴散層能夠有效防止金屬原子的高溫擴散，提升電極的熱穩(wěn)定性，并增強電極的界面穩(wěn)定性。tin和tan的氮化物特性提供了出色的抗擴散性和耐高溫性，而pt則具有良好的抗氧化性和導電性，進一步提高了電極的耐腐蝕能力和電學性能，多層材料的協(xié)同作用確保了電極在極端工作環(huán)境下的長期穩(wěn)定性和可靠性。

7、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，所述高碳親和性金屬層的材料為ti或ta，形成的碳化物過渡層為tic或tac。高碳親和性金屬層的材料優(yōu)先選用ti，因tic形成能更低。

8、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，所述防擴散層為2～5層，所述貴金屬層的材料為pt和ir中的一種，過渡金屬氮化物層的材料為tin、tan和wn中的一種或多種。

9、在以上技術方案的基礎上，所述防擴散層優(yōu)選為三層(見圖1)，防擴散層由tin/pt/tan三層材料構成，其中tin與高碳親和性金屬層接觸。

10、在以上技術方案的基礎上，所述金剛石襯底表面經刻蝕，形成深度為40～60nm的粗糙納米界面。

11、在以上技術方案的基礎上，納米界面有多種(見圖3-8)，可為納米圓柱、方柱、網(wǎng)格、斜交叉網(wǎng)格、階梯網(wǎng)格和十字網(wǎng)格中的一種。

12、具體的，金剛石襯底的表面為納米結構的粗糙界面(見圖3)，設置納米結構界面能顯著提高金剛石高溫歐姆接觸電極的性能。通過增加接觸面積和表面粗糙度，納米結構有效降低接觸電阻，增強電極與基底的粘附力，同時還可以改善熱膨脹匹配，減小界面應力，防止高溫下的界面失效。納米結構還能促進金屬與金剛石之間的結合，改善電極的電學性能，并通過提高熱應力釋放能力和防止氧化腐蝕，增強電極的長期穩(wěn)定性和耐高溫性。整體而言，納米結構優(yōu)化了金屬與金剛石之間的界面過渡，提高了電極的穩(wěn)定性和可靠性。

13、在以上技術方案的基礎上，所述電極層表面沉積有保護層，所述保護層的材料為tin和tic中的一種。

14、保護層位于電極層上方，采用導電陶瓷材料(如tin)制備，能夠有效防止氧氣和濕氣對電極的腐蝕，提升電極的耐高溫和抗氧化能力。導電陶瓷材料作為化學惰性材料，具有良好的硬度和耐磨性，能夠保護電極層免受機械損傷，并在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定。

15、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，所述電極層的材料為au、pd、mo和w中的一種；基底可為硅基底、金剛石基底、氮化鎵基底、碳化硅基底和玻璃基底中的一種。

16、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，所述基底的厚度為300μm～1500μm，金剛石襯底的厚度為0.5μm～300μm，所述高碳親和性金屬層及其碳化物過渡層的厚度分別為50nm～100nm和10nm～30nm；所述防擴散層的總厚度為50nm～150nm，所述電極層的厚度為100nm～200nm，所述保護層的厚度為50nm～100nm。

17、另一方面，本發(fā)明還提供了一種金剛石高溫歐姆接觸電極的制備方法，包括以下步驟：

18、s1，在基底表面外延生長金剛石襯底，并采用飛秒激光在金剛石襯底表面刻蝕，形成深度為40～60nm的金剛石納米結構界面；

19、s2，采用磁控濺射方式在金剛石納米結構界面沉積高碳親和性金屬層，沉積結束后采用納秒激光退火處理，高碳親和性金屬與金剛石襯底表面碳原子反應生成碳化物過渡層；

20、s3，使用磁控濺射技術，在高碳親和性金屬層上沉積過渡金屬氮化物層和貴金屬層交替的防擴散層；

21、s4，在防擴散層上采用磁控濺射技術沉積電極層；

22、s5，采用化學氣相沉積技術在電極層上沉積一層保護層，隨后500-700℃退火10-20min，得到金剛石高溫歐姆接觸電極。

23、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，步驟s1中，刻蝕前金剛石襯底，將3體積份濃鹽酸和1體積份濃硝酸配置成王水浸泡金剛石并水浴加熱，水浴加熱的溫度為60℃，時間30min，隨后將金剛石取出，用去離子水徹底沖洗多次，以去除王水的殘留成分，使用氮氣或潔凈空氣吹干金剛石，確保其表面不含水分或任何雜質。

24、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，步驟s1中，飛秒激光的脈沖寬度可為135～500fs，激光波長為1030nm，激光功率0.5w～2w，重復頻率為100-200khz，掃描速度250～1000mm/s，掃描間距10～20μm，掃描3～20次，利用飛秒激光在清洗后的金剛石表面刻蝕出納米結構界面，激光掃描速率為500mm/s，刻蝕深度50nm。隨后依次通過丙酮、酒精、去離子水各超聲清洗5～10min，清潔表面雜質。隨后將金剛石放入微波等離子體化學氣相沉積(mpcvd)設備，利用氫等離子體的刻蝕作用去除激光作用后產生的石墨或非晶碳層。實驗過程中，設定微波功率為1200w，微波頻率為2.45ghz，系統(tǒng)氣壓維持在20torr，刻蝕溫度控制在750℃。氫氣(h2)流量為300sccm，刻蝕時間設為2min?？涛g過程在穩(wěn)定放電狀態(tài)下進行，樣品表面逐漸恢復為清潔的金剛石結構，表面質量明顯提升，有利于后續(xù)器件封裝和性能提升。隨后再次通過丙酮、酒精、去離子水各超聲清洗5-10min，清洗干凈；然后將金剛石放入反應離子刻蝕(reactive?ion?etching,rie)設備，通入cf4/o2混合氣，設定射頻功率為200w，反應室氣壓為30mtorr，氣體流量比為cf4：o2＝30sccm：10sccm，刻蝕溫度保持在室溫，利用隨機離子轟擊形成粗糙形貌，刻蝕30min，最終制備出金剛石表面的納米結構界面。

25、如圖4～7所示，納米結構的界面有多種，如可為納米方柱網(wǎng)格、斜交叉網(wǎng)格、階梯網(wǎng)格、十字網(wǎng)格，通過精確控制刻蝕深度、形狀、排列和密度，可以根據(jù)不同應用需求進行選擇和優(yōu)化。不同的結構形式有助于在不同環(huán)境和工作條件下優(yōu)化金屬層與金剛石之間的界面性能，確保高溫下的電極穩(wěn)定性、低接觸電阻及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。

26、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，步驟s2中，在金剛石納米結構界面磁控濺射高碳親和性金屬時，本底真空≤5×10-6torr，濺射功率150w，ar氣流量20sccm，沉積厚度50nm～100nm；隨后采用納秒激光退火，脈沖寬度20～40ns，光斑直徑20～40μm，光斑重疊率50％～70％，掃描速度400～600mm/s，掃描3-5次，促使高碳親和性金屬與金剛石表面碳原子反應生成碳化物過渡層(厚度約10～30nm)；隨后通過x射線衍射(xrd)確認碳化物相形成，最終得到高碳親和性金屬/碳化物層/金剛石襯底梯度過渡結構，通過漸進式物性匹配，解決異質材料界面因物性差異(如熱膨脹系數(shù)、化學鍵合方式、晶格失配)導致的結合失效問題。

27、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，步驟s3中，通過磁控濺射貴金屬和/或過渡金屬氮化物可以阻擋高溫下多層金屬相互擴散，濺射的初始真空度≤5×10-6torr，ar氣流量20sccm，濺射功率150w。

28、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，步驟s5中，保護層材料采用高密度導電陶瓷tin或tic材料，直接接觸電極層，抑制氧擴散。

29、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，步驟s5中，高溫退火采用管式爐設備，在ar氣保護下退火，退火溫度600℃，保溫10min。

30、本發(fā)明的一種金剛石高溫歐姆接觸電極及其制備方法相對于現(xiàn)有技術具有以下有益效果：

31、(1)本發(fā)明的金剛石高溫歐姆接觸電極中的梯度化界面緩沖層實現(xiàn)了實現(xiàn)熱膨脹系數(shù)(cte)從金屬層(如ti：8.6×10-6/k)向金剛石(1×10-6/k)的連續(xù)過渡，有效改善熱膨脹匹配。防擴散層的高密度屏障抑制金屬原子(如au、ti)高溫擴散，提高了膜層質量，進而保證了電極結構的穩(wěn)定性。兩者相結合，有效解決了電極和基底之間的界面強度不足，在高溫環(huán)境中穩(wěn)定性差，長期使用中的性能衰退等技術問題。

32、(2)本發(fā)明在金剛石襯底上制備納米結構界面，促進了金屬/碳化物層與金剛石的鍵合，減少界面勢壘，納米結構增加了金剛石表面粗糙度和接觸面積，進一步提高電極的粘附性，同時納米界面通過局域應力釋放抑制高溫分層，增強熱穩(wěn)定性。

33、(3)本發(fā)明保護層的惰性封裝可以阻隔氧/碳侵蝕，有效提升電極的使用壽命。

34、綜上所述，采用本發(fā)明的電極結構不僅有效地降低了界面勢壘，顯著提高電極與基底的粘附力，優(yōu)化應力分布，而且保證了電極結構的穩(wěn)定性，梯度化界面緩沖層有效改善了熱膨脹匹配，提升電子元件的電學性能。