CN106847934A - 利用氟离子注入实现的氮化镓pn结及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用氟离子注入实现的氮化镓PN结及其制造方法。该氮化镓PN结包括衬底,位于衬底上的n型氮化镓半导体层和嵌于n型氮化镓半导体层中部区域的p型氮化镓半导体层。其中,n型掺杂氮化镓半导体层上设置有第一电极,p型掺杂氮化镓半导体层上设置有第二电极。本发明利用氟离子注入实现氮化镓基PN结的制备方法,与现行的硅工艺兼容,注入氟离子的浓度和深度分布精确可控,形成的p型氮化镓半导体层具有很高的掺杂均匀性。其制备过程简单,成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域,尤其涉及一种基于氮化镓(gallium nitride,GaN)材料的PN结及其制造方法。
背景技术
目前GaN基PN结的生长方法多基于金属有机物化学气相淀积(metal organicchemical vapor deposition,MOCVD)法。采用原位生长的GaN的无意识掺杂类型为n型,具有很高的背景载流子浓度,n型的背景载流子对p型会产生强烈的补偿作用,因此GaN的p型掺杂相对于n型具有更高的难度。现有的形成p型掺杂GaN半导体层的方法,是对原位生长的Mg掺杂的GaN进行低能电子辐照处理,或在氮气气氛下高温退火,以获得有效掺杂的p型GaN。
而硅(silicon,Si)工艺普遍采用离子注入技术生成n型材料和p型材料,这是由于离子注入具有诸多优点:①纯净掺杂。离子注入是在真空***中进行的,同时使用高分辨率的质量分析器,保证掺杂离子具有极高的纯度;②掺杂离子浓度不受平衡固溶度的限制。原则上各种元素均可成为掺杂元素,并可以达到常规方法所无法达到的掺杂浓度;③注入离子的浓度和深度分布精确可控。注入的离子数决定于积累的束流,深度分布则由加速电压控制,这两个参量可以由外界***精确测量、严格控制;④注入离子时衬底温度可自由选择。根据需要既可以在高温下掺杂,也可以在室温或低温条件下掺杂。这在实际应用中是很有价值的;⑤大面积均匀注入。离子注入***中的束流扫描装置可以保证在很大的面积上具有很高的掺杂均匀性;⑥离子注入掺杂深度小。一般在1um以内(例如对于100keV离子的平均射程的典型值约为0.1um)。基于上述优点,采用离子注入方法实现有效掺杂的p型区是GaN基元器件生长工艺未来的发展方向,也是GaN工艺与Si工艺兼容的必须解决的难题。
有鉴于此,本发明即针对上述现有技术的不足,提出一种利用氟离子注入实现的GaN基PN结及其制造方法。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足与缺陷,提出一种利用氟离子注入实现的氮化镓(gallium nitride,GaN)基PN结及其制造方法。
为达上述目的,本发明提供了一种氟离子注入实现的GaN基PN结,包括:
衬底;
n型GaN半导体层,所述n型掺杂GaN半导体层形成于所述衬底之上,并在所述n型掺杂GaN半导体层上设置有第一电极;
p型GaN半导体层,所述p型掺杂GaN半导体层嵌于所述n型掺杂GaN半导体层中部区域,通过氟离子注入实现,并在所述p型掺杂GaN半导体层上设置有第二电极。
在其中一个实施例中,所述p型掺杂GaN半导体层的横截面为圆形;
所述第二电极的横截面为圆形,且所述第二电极的横截面面积小于所述p型GaN半导体层的横截面面积;
所述第一电极的横截面为中部开设有圆形通孔的正方形结构,所述第一电极将p型GaN半导体层围设在其圆形通孔内,且所述第一电极的横截面面积小于所述n型GaN半导体层的横截面面积。
在其中一个实施例中,所述第一电极为钛铝镍金(Ti/Al/Ni/Au)四层电极,所述第二电极为镍金(Ni/Au)双层电极。
如上所述的制造方法,进一步,包括以下步骤:
步骤31,提供衬底,在所述衬底上生长n型GaN半导体层;
进一步,所述衬底,其例如但不限于硅(silicon,Si)衬底、蓝宝石衬底或非故意掺杂的GaN衬底;
步骤32,在所述n型GaN半导体层上沉积第一电极;
步骤33,通过离子注入法注入氟离子,在所述n型掺杂GaN半导体层中的指定位置形成p型掺杂GaN半导体层;
步骤34,在所述p型GaN半导体层上沉积第二电极;
步骤35,对整个GaN半导体层进行高温热处理,激活掺杂元素并减小GaN界面的缺陷密度。
在其中一个实施例中,所述步骤32包括以下步骤:
在n型GaN半导体表面涂覆光刻胶,形成第一掩膜;
紫外光刻所述第一掩膜,在所述n型GaN半导体上形成第一窗口;
利用电子束蒸发法在所述第一窗口的表面沉积第一电极;
去除所述n型GaN半导体表面涂覆的光刻胶,并对所述n型GaN半导体进行热处理。
在其中一个实施例中,所述步骤33包括以下步骤:
在n型GaN半导体表面涂覆光刻胶,形成第二掩膜;
紫外光刻所述第二掩膜,在所述n型GaN半导体上形成第二窗口;
利用离子注入法将氟离子注入到所述n型GaN半导体中部区域,形成p型GaN半导体。
在其中一个实施例中,所述步骤34包括以下步骤:
利用电子束蒸发法在上述第二窗口的表面沉积第二电极;
去除所述n型GaN半导体表面涂覆的光刻胶;
在其中一个实施例中,所述第一窗口为中部开设有圆形通孔的正方形结构窗口,所述第一窗口将p型GaN半导体层围设在其中;
所述第二窗口为圆形窗口,所述第二窗口的横截面面积小于所述p型GaN半导体层的横截面面积。
本发明的有益效果如下:
本发明利用氟离子注入实现的GaN基PN结的制备方法,与现行的Si工艺兼容,注入氟离子的浓度和深度分布精确可控,p型GaN半导体层具有很高的掺杂均匀性。其制备过程简单,成本低廉。
附图说明
图1为本发明一种实施例的利用氟离子注入实现的GaN基PN结的剖视示意图;
图2为本发明一种实施例的利用氟离子注入实现的GaN基PN结的俯视示意图;
图3为本发明一种实施例的利用氟离子注入实现的GaN基PN结的制造方法流程示意图。
具体实施方式
本发明中的图式均属示意图,主要意在表示制程步骤以及各层之间的上下次序关系,至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。
图1显示本发明一种实施例。本实施例举例说明利用氟离子注入实现的GaN基PN结100的制造方法剖视示意图。首先提供衬底11,其例如但不限于硅(silicon,Si)衬底、蓝宝石衬底或非故意掺杂的氮化镓(gallium nitride,GaN)衬底。于衬底11上,其例如但不限于外延技术生长n型GaN半导体层12。接着以离子注入技术将氟离子注入到所述n型GaN半导体层12的中部区域,形成p型GaN半导体层15。其中,n型GaN半导体层12上设置有第一电极13,p型GaN半导体层15上设置有第二电极14。需要说明的是,本发明中所述的n型GaN半导体层12的中部区域,但不局限于n型GaN半导体层12的中心,泛指除边缘以外的区域。
较佳的,作为一种可实施方式,p型GaN半导体层15的横截面为圆形。该结构设计简单,便于实现。在其他实施例中,p型GaN半导体层15的横截面可为其他形状。
优选的,第一电极13为中部开设有圆形通孔的正方形结构,将第二电极14和p型GaN半导体层15围设在其中;进一步,第二电极14的横截面为圆形。
较佳的,当第一电极13开设的圆形通孔,且第二电极14和p型GaN半导体层15的横截面为圆形时,第一电极13的圆形通孔、第二电极14和p型GaN半导体层15的横截面为同心圆。该方式得到的GaN基PN结性能优异、结构设计合理,便于制备。
本发明中,第一电极13和第二电极14的材质可以相同,也可以不同;本发明中所述的第一电极是指由四种金属材料形成的电极,第二电极是指由两种金属材料形成的电极,例如钛铝镍金(Ti/Al/Ni/Au)四层电极是指由Ti金属、Al金属、Ni金属和Au金属形成的电极,镍金(Ni/Au)双层电极是由Ni金属和Au金属形成的电极。
本发明还提供了一种利用氟离子注入实现的GaN基PN结的制备方法,如图3所示,包括以下步骤,:
步骤31,在衬底生长n型GaN层
步骤32,在所述n型GaN层上沉积第一电极。
较佳的作为一种可实施方式,步骤32包括以下步骤:
320:在n型GaN半导体表面涂覆光刻胶,形成第一掩膜。
较佳的,步骤320的具体做法为,将光刻胶旋涂在n型GaN半导体层表面,形成光刻胶薄膜,放入烘烤机中,于120℃下烘烤90秒,使光刻胶中的溶剂挥发掉,形成第一掩膜。
321:紫外光刻所述第一掩膜,在所述n型GaN半导体上形成第一窗口21。
322:利用电子束蒸发法在所述第一窗口21的表面沉积第一电极。
本步骤采用电子束蒸发法进行第一电极的沉积,该方法沉积速度快、质量高。
323:去除所述n型GaN半导体表面涂覆的光刻胶,并对所述n型GaN半导体进行热处理,所述热处理的条件为:保护气氛下,800℃下保温1分钟。
步骤33,通过注入氟离子在所述n型掺杂GaN半导体层中的指定位置形成p型掺杂GaN半导体层;
如上所述的制造方法,进一步,其中步骤33中的指定位置是指所述n型GaN半导体层的中部,其它位置使用掩膜保护。
较佳的作为一种可实施方式,步骤33包括以下步骤:
331:在n型GaN半导体表面涂覆光刻胶,形成第二掩膜。
332:紫外光刻所述第二掩膜,在所述n型GaN半导体上形成第二窗口22。
333:利用离子注入法将氟离子注入到所述n型GaN半导体中部与区域,形成p型GaN半导体。
步骤34,在所述p型GaN层上沉积第二电极。
较佳的作为一种可实施方式,步骤34包括以下步骤:
341:利用电子束蒸发法在上述第二窗口22的表面沉积第二电极。
342:去除所述n型GaN半导体表面涂覆的光刻胶。
步骤35,对整个GaN层进行高温热处理,激活掺杂元素并确保GaN界面的缺陷尽可能少。所述热处理的条件为:保护气氛下,400℃下保温10分钟。
本发明的制备方法,过程简单、成本低廉。采用紫外光进行掩膜的刻蚀,避免了刻蚀过程中产生的污染物,且有利于实现器件的小型化;采用电子束蒸发法进行电极的沉积,可有效增加沉积膜层的质量,提高器件性能;此外,采用氟离子注入实现p型GaN半导体层法,与现行的Si工艺兼容,注入氟离子的浓度和深度分布精确可控,其制备过程简单,成本低廉。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种利用氟离子注入实现的氮化镓PN结,其特征在于,包括
衬底;
n型GaN半导体层,所述n型掺杂GaN半导体层形成于所述衬底之上,并在所述n型掺杂GaN半导体层上设置有第一电极;
p型GaN半导体层,所述p型掺杂GaN半导体层嵌于所述n型掺杂GaN半导体层中部区域,通过氟离子注入实现,并在所述p型掺杂GaN半导体层上设置有第二电极。
2.根据权利要求1所述的利用氟离子注入实现的氮化镓PN结,其特征在于,
所述p型掺杂GaN半导体层的横截面为圆形。
3.根据权利要求1所述的利用氟离子注入实现的氮化镓PN结,其特征在于,
所述第一电极的横截面为中部开设有圆形通孔的正方形结构,所述第一电极将p型GaN半导体层围设在其圆形通孔内,且所述第一电极的横截面面积小于所述n型GaN半导体层的横截面面积;
所述第二电极的横截面为圆形,且所述第二电极的横截面面积小于所述p型GaN半导体层的横截面面积。
4.根据权利要求1所述的利用氟离子注入实现的氮化镓PN结,其特征在于,
所述第一电极为钛铝镍金(Ti/Al/Ni/Au)四层电极,所述第二电极为镍金(Ni/Au)双层电极。
5.一种利用氟离子注入实现的氮化镓PN结的制造方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤31,提供衬底,在所述衬底上生长n型GaN半导体层;
进一步,所述衬底,其例如但不限于硅衬底、蓝宝石衬底或非故意掺杂的氮化镓(galliumnitride,GaN)衬底;
步骤32,在所述n型GaN半导体层上沉积第一电极;
步骤33,通过离子注入法注入氟离子,在所述n型掺杂GaN半导体层中的指定位置形成p型掺杂GaN半导体层;
步骤34,在所述p型GaN半导体层上沉积第二电极;
步骤35,对整个GaN半导体层进行高温热处理,激活掺杂元素并减少GaN界面的缺陷密度。
6.根据权利要求5所述的利用氟离子注入实现的氮化镓PN结的制造方法,其特征在于,所述步骤32包括以下步骤:
在n型GaN半导体表面涂覆光刻胶,形成第一掩膜;
紫外光刻所述第一掩膜,在所述n型GaN半导体上形成第一窗口;
利用电子束蒸发法在所述第一窗口的表面沉积第一电极;
去除所述n型GaN半导体表面涂覆的光刻胶,并对所述n型GaN半导体进行热处理。
7.根据权利要求5所述的利用氟离子注入实现的氮化镓PN结的制造方法,其特征在于,所述步骤33包括以下步骤:
在n型GaN半导体表面涂覆光刻胶,形成第二掩膜;
紫外光刻所述第二掩膜,在所述n型GaN半导体上形成第二窗口;
利用离子注入法将氟离子注入到所述n型GaN半导体中部区域,形成p型GaN半导体。
8.根据权利要求5所述的利用氟离子注入实现的氮化镓PN结的制造方法,其特征在于,所述步骤34包括以下步骤:
利用电子束蒸发法在上述第二窗口的表面沉积第二电极;
去除所述n型GaN半导体表面涂覆的光刻胶。
9.根据权利要求6所述的利用氟离子注入实现的氮化镓PN结的制造方法,其特征在于,所述
第一窗口为中部开设有圆形通孔的正方形结构,所述第一窗口将p型GaN半导体层围设在其中;
所述第二窗口为圆形窗口,所述第二窗口的横截面面积小于所述p型GaN半导体层的横截面面积。
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