CN108767018B - 一种制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构及工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太赫兹高频器件技术领域，公开了一种制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构及工艺方法，外延结构为结构一或结构二：结构一包括衬底、缓冲层、电流扩展层、GaN牺牲层和肖特基有源层；电流扩展层与GaN牺牲层间形成低电阻导电通道；结构二包括衬底、缓冲层、GaN牺牲层和肖特基有源层；肖特基有源层与GaN牺牲层间形成低电阻导电通道；工艺方法包括淀积绝缘介质层、使欧姆电极台面与GaN牺牲层之间具有低电阻导电通道、在n+GaN层上形成肖特基器件的欧姆接触金属电极、制备暴露的GaN牺牲层、GaN基肖特基有源层与衬底剥离、在肖特基有源层制作肖特基接触金属电极及金属互联完成高频GaN基薄膜肖特基器件的制作的步骤。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹高频器件技术领域，具体涉及一种制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构及工艺方法。
背景技术
太赫兹(THz)波定义在0.1THz～10THz，介于微波和红外线之间，具有极其重要的学术价值和实用意义。目前制作太赫兹波段的GaN基肖特基器件需要对衬底进行减薄、抛光工艺。然而GaN材料具有化学惰性强和机械硬度强的特性，这使得GaN材料的衬底减薄工艺难度极大。一种方案是通过激光剥离使GaN材料外延层从衬底上脱落，然而激光剥离的方法成本较高，剥离后的外延层底部很不平整，需要经过化学磨抛以实现剥离面的平坦化，并且激光照射可能会对器件有源区产生影响从而影响器件性能。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构及工艺方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构，所述外延结构为结构一或结构二：
所述结构一包括衬底、缓冲层、电流扩展层、GaN牺牲层和肖特基有源层；所述衬底、缓冲层、电流扩展层、GaN牺牲层和肖特基有源层依次连接；电流扩展层与GaN牺牲层均为高电导层，所述电流扩展层与GaN牺牲层间形成低电阻导电通道；
所述结构二包括衬底、缓冲层、GaN牺牲层和肖特基有源层；所述衬底、缓冲层、GaN牺牲层和肖特基有源层依次连接；所述肖特基有源层与GaN牺牲层间形成低电阻导电通道。
进一步的，所述外延结构为结构一或结构二时，衬底采用GaN、Si、蓝宝石或SiC材料制成。
进一步的，所述外延结构为结构一或结构二时，缓冲层采用GaN、InGaN、AlGaN或AlN材料制成。
进一步的，当外延结构为结构一时，所述电流扩展层采用GaN、InGaN、AlGaN或AlN材料制成，所述电流扩展层的掺杂浓度大于1×1018/cm3，所述电流扩展层的厚度为0.1μm～3μm。
进一步的，当外延结构为结构一时，GaN牺牲层的电导大于电流扩展层和肖特基有源层的电导，所述GaN牺牲层的厚度为0.1μm～3μm。
进一步的，所述外延结构为结构一或结构二时，GaN牺牲层采用腐蚀选择性高于衬底、缓冲层、电流扩展层和肖特基有源层的材料制成，GaN牺牲层的电化学腐蚀速率是缓冲层、电流扩展层和肖特基有源层腐蚀速率的10倍以上。
进一步的，所述外延结构为结构一或结构二时，肖特基有源层包括依次连接的n-GaN层和n+GaN层；n+GaN层或n-GaN层与GaN牺牲层连接；n-GaN层的掺杂杂质是Si，掺杂浓度为1×1016/cm3～1×1018/cm3，n-GaN层的厚度为0.05μm～1μm；n+GaN层的掺杂杂质是Si，掺杂浓度大于1×1018/cm3，厚度范围为0.05μm～5μm；当外延结构为结构二时，n+GaN层与GaN牺牲层均为高电导层；n+GaN层与GaN牺牲层连接，两者之间形成低电阻导电通道。
一种制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构的工艺方法，当外延结构为结构一时，包括步骤：
A)在外延结构的肖特基有源层的上表面淀积绝缘介质层；
B)通过光刻和刻蚀在绝缘介质层的表面形成电极窗口，向下刻蚀电极窗口在电流扩展层上形成欧姆电极台面，使欧姆电极台面与GaN牺牲层之间具有低电阻导电通道；
C)在n+GaN层上形成肖特基器件的欧姆接触金属电极；
D)暴露GaN牺牲层的部分表面或/和侧壁，得到暴露的GaN牺牲层；
E)对暴露的GaN牺牲层进行电化学腐蚀，使GaN基肖特基有源层与衬底剥离；
F)制作肖特基接触金属电极，完成高频GaN基薄膜肖特基器件的制作。
一种制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构的工艺方法，当外延结构为结构二时，n+GaN层与GaN牺牲层连接；包括步骤：
A)在外延结构的n-GaN层的上表面淀积绝缘介质层；
B)在n+GaN层上形成欧姆接触金属电极和欧姆电极台面；
C)暴露GaN牺牲层的部分表面或/和侧壁，得到暴露的GaN牺牲层；
D)对暴露的GaN牺牲层进行电化学腐蚀，使GaN基肖特基有源层与衬底剥离；
E)制作肖特基接触金属电极，完成高频GaN基薄膜肖特基器件的制作。
本发明的有益效果为：利用本发明的外延结构以及工艺方法得到的GaN薄膜完整、基本无损伤并且厚度小，可以转移到其他衬底上去，利用上述工艺方法制作出来的GaN薄膜肖特基二极管寄生电容小，截止频率高并且功率损耗小。
附图说明
图1是本发明的结构一的侧视图。
图2为本发明使用外延结构一制作高频GaN基薄膜肖特基器件完成至第D步骤后的侧视示意图。
图3为本发明使用外延结构一制作高频GaN基薄膜肖特基器件完成至第E步骤后的侧视示意图。
图4为本发明使用外延结构一制作高频GaN基薄膜肖特基器件完成后的侧视示意图。
图5为本发明的结构二的侧视图。
图6为本发明使用外延结构二制作高频GaN基薄膜肖特基器件成至第C步骤后的侧视示意图。
图7为本发明使用外延结构二制作高频GaN基薄膜肖特基器件成至第D步骤后的侧视示意图。
图8为本发明使用外延结构二制作高频GaN基薄膜肖特基器件完成后的侧视示意图。
图中：11-第一衬底；12-第一缓冲层；13-第一电流扩展层；14-第一GaN牺牲层；15-第一n+GaN层；16-第一n-GaN层；17-第一绝缘介质层；18-第一欧姆电极台面；19-第一欧姆接触金属；110-第一肖特基金属；111-第一器件空气桥引出pad；21-第二衬底；22-第二缓冲层；24-第二GaN牺牲层；25-第二n+GaN层；26-第二n-GaN层；27-第二绝缘介质层；28-第二欧姆电极台面；29-第二欧姆接触金属；210-第二肖特基金属；211-第二器件空气桥引出pad。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
一种制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构，所述外延结构为结构一或结构二：
所述结构一包括衬底、缓冲层、电流扩展层、GaN牺牲层和肖特基有源层；所述衬底、缓冲层、电流扩展层、GaN牺牲层和肖特基有源层依次连接；电流扩展层与GaN牺牲层均为高电导层，所述电流扩展层与GaN牺牲层间形成低电阻导电通道；
所述结构二包括衬底、缓冲层、GaN牺牲层和肖特基有源层；所述衬底、缓冲层、GaN牺牲层和肖特基有源层依次连接；所述肖特基有源层与GaN牺牲层间形成低电阻导电通道。
进一步的，所述外延结构为结构一或结构二时，衬底采用GaN、Si、蓝宝石或SiC材料制成。
进一步的，所述外延结构为结构一或结构二时，缓冲层采用GaN、InGaN、AlGaN或AlN材料制成。
进一步的，当外延结构为结构一时，所述电流扩展层采用GaN、InGaN、AlGaN或AlN材料制成，所述电流扩展层的掺杂浓度大于1×1018/cm3，所述电流扩展层的厚度为0.1μm～3μm。
进一步的，当外延结构为结构一时，GaN牺牲层的电导大于电流扩展层和肖特基有源层的电导，所述GaN牺牲层的厚度为0.1μm～3μm。
进一步的，所述外延结构为结构一或结构二时，GaN牺牲层采用腐蚀选择性高于衬底、缓冲层、电流扩展层和肖特基有源层的材料制成，GaN牺牲层的电化学腐蚀速率是缓冲层、电流扩展层和肖特基有源层腐蚀速率的10倍以上。
进一步的，所述外延结构为结构一或结构二时，肖特基有源层包括依次连接的n-GaN层和n+GaN层；n+GaN层或n-GaN层与GaN牺牲层连接；n-GaN层的掺杂杂质是Si，掺杂浓度为1×1016/cm3～1×1018/cm3，n-GaN层的厚度为0.05μm～1μm；n+GaN层的掺杂杂质是Si，掺杂浓度大于1×1018/cm3，厚度范围为0.05μm～5μm；当外延结构为结构二时，n+GaN层与GaN牺牲层均为高电导层；n+GaN层与GaN牺牲层连接，两者之间形成低电阻导电通道。
一种制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构的工艺方法，当外延结构为结构一时，包括步骤：
A)在外延结构的肖特基有源层的上表面淀积绝缘介质层；
B)通过光刻和刻蚀在绝缘介质层的表面形成电极窗口，向下刻蚀电极窗口在电流扩展层上形成欧姆电极台面，使欧姆电极台面与GaN牺牲层之间具有低电阻导电通道；
C)在n+GaN层上形成肖特基器件的欧姆接触金属电极；
D)暴露GaN牺牲层的部分表面或/和侧壁，得到暴露的GaN牺牲层；
E)对暴露的GaN牺牲层进行电化学腐蚀，使GaN基肖特基有源层与衬底剥离；
F)制作肖特基接触金属电极，完成高频GaN基薄膜肖特基器件的制作。
根据具体的工艺流程设计，可对上述步骤进行前后调换组合，完成高频GaN基薄膜肖特基器件的制作。
一种制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构的工艺方法，当外延结构为结构二时，n+GaN层与GaN牺牲层连接；包括步骤：
A)在外延结构的n-GaN层的上表面淀积绝缘介质层；
B)在n+GaN层上形成欧姆接触金属电极和欧姆电极台面；
C)暴露GaN牺牲层的部分表面或/和侧壁，得到暴露的GaN牺牲层；
D)对暴露的GaN牺牲层进行电化学腐蚀，使GaN基肖特基有源层与衬底剥离；
E)制作肖特基接触金属电极，完成高频GaN基薄膜肖特基器件的制作。
根据具体的工艺流程设计，可对上述步骤进行前后调换组合，完成高频GaN基薄膜肖特基器件的制作。
实施例1
本实施例公开了制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构一。如图1所示，其从下至上依次包括：
第一衬底11，材料为非极性、半极性或极性的GaN、Si、蓝宝石、SiC中的一种，衬底可以导电，也可以不导电，优先选择导电衬底。
第一缓冲层12，材料为GaN、InGaN、AlGaN、AlN中的一种，可以导电，也可以不导电，优先选择导电材料。
第一电流扩展层13，材料为GaN、InGaN、AlGaN、AlN中的一种，掺杂杂质为Si，掺杂浓度大于1×1018/cm3，厚度0.1μm～3μm。
第一GaN牺牲层14，具有明显区别于第一衬底、第一缓冲层、第一电流扩展层和第一肖特基有源层的高选择性腐蚀特性，腐蚀选择比大于10：1；第一GaN牺牲层的掺杂杂质是Si，掺杂浓度大于1×1018/cm3，厚度0.1μm～3μm。其中，第一电流扩展层13与第一GaN牺牲层14间形成低电阻导电通道。
第一肖特基有源层包含第一n+GaN层15，第一n+GaN层的掺杂杂质是Si，掺杂浓度大于1×1018/cm3，厚度0.5μm～5μm。
第一肖特基有源层包含第一n-GaN层16，第一n-GaN层的掺杂杂质是Si，掺杂浓度在1×1016/cm3～1×1018/cm3，厚度0.05μm～1μm。
其中第一肖特基有源层中第一n+GaN层15、第一n-GaN层16的上下顺序可以调换，且在必要时，还可以作为电流阻挡层，用于阻挡第一肖特基有源层和第一GaN牺牲层14之间的电流通路。
如图1-4所示，本发明提供使用结构一制作高频GaN基薄膜肖特基器件的制作方法，包括如下步骤：
A)在第一n-GaN层16上表面淀积第一绝缘介质层17(参阅图2)，第一绝缘介质层的材料为PECVD SiO2，厚度为50nm-1μm。SiNx或光刻胶也可以作为第一绝缘介质层17的材料；
B)通过光刻和刻蚀在第一绝缘介质层17表面形成电极窗口。采用ICP干法刻蚀技术向下刻蚀电极窗口在第一电流扩展层13上形成第一欧姆电极台面18(参阅图2)；
C)通过光刻、ICP干法刻蚀、金属淀积、退火等工艺在第一n+GaN层15形成第一欧姆接触金属19(参阅图2)，使用的金属堆栈为Ti/Al/Ni/Au，也可以使用Ti/Al/Pd/Au，Ti/Al/Pt/Au，Ti/Al/Ti/Au等；
D)通过光刻和刻蚀在第一绝缘介质层17表面形成腐蚀窗口，向下刻蚀腐蚀窗口直到将高掺杂第一GaN牺牲层14的侧壁暴露出来形成腐蚀通孔(参阅图2)；
E)使用金属鳄鱼嘴夹夹持第一欧姆电极台面18，以金属Pt片作为阴极，以乙二酸为电解液在恒定电压下(5-30V)对暴露侧壁的第一GaN牺牲层14进行电化学腐蚀，足够时间后实现GaN基肖特基有源层薄膜与衬底的剥离(参阅图3)。电化学腐蚀的电解液也可使用HNO3、H3PO4、H2SO4、KOH等溶液；
F)通过GaN刻蚀、第一肖特基金属110淀积、第一器件空气桥引出pad111等工艺完成片上肖特基器件制作工艺(参阅图4)。
实施例2
本实施例公开了制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构二。如图5所示，其从下至上依次包括：
第二衬底21，材料为非极性、半极性或极性的GaN、Si、蓝宝石、SiC中的一种；
第二缓冲层22，材料为GaN、InGaN、AlGaN、AlN中的一种；
第二GaN牺牲层24为具有明显区别于第二肖特基有源层的高选择性腐蚀特性的材料，其易于被腐蚀，第二GaN牺牲层与第二肖特基有源层的腐蚀选择比大于10：1；第二GaN牺牲层的掺杂杂质是Si，掺杂浓度大于1×1018/cm3并高于第二肖特基有源层，厚度0.1μm～3μm；
第二肖特基有源层包含第二n+GaN层25，第二n+GaN层的掺杂杂质是Si，掺杂浓度大于1×1018/cm3，厚度0.5μm～5μm。其中，第二肖特基有源层包含第二n+GaN层25与第二GaN牺牲层24间形成低电阻导电通道。
第二肖特基有源层包含第二n-GaN层26，第二n-GaN层的掺杂杂质是Si，掺杂浓度在1×1016/cm3～1×1018/cm3，厚度为0.05μm～1μm。
请参阅图6-8并结合参阅图5所示，本发明提供使用外延结构二制作高频GaN基薄膜肖特基器件的制作方法，包括如下步骤：
A)在第二n-GaN层26上表面淀积第二绝缘介质层27(参阅图6)，第二绝缘介质层的材料为PECVD SiO2，厚度为0.05μm-1μm。SiNx或光刻胶也可以作为第二绝缘介质层27的材料；
B)通过光刻、ICP干法刻蚀、金属淀积、退火等工艺在第二n+GaN层25形成第二欧姆接触金属29(参阅图6)，使用的金属堆栈为Ti/Al/Ni/Au，也可以使用Ti/Al/Pd/Au，Ti/Al/Pt/Au，Ti/Al/Ti/Au等。同时也在第二n+GaN层25形成第二欧姆电极台面28(参阅图6)；
C)通过光刻和刻蚀在第二绝缘介质层27表面形成腐蚀窗口，向下刻蚀腐蚀窗口直到将第二GaN牺牲层24的侧壁暴露出来形成腐蚀通孔(参阅图6)。
D)使用金属鳄鱼嘴夹夹持第二欧姆电极台面28，以金属Pt片作为阴极，以乙二酸为电解液在恒定电压下(5-30V)对暴露侧壁的第二GaN牺牲层24进行电化学腐蚀，足够时间后实现GaN基肖特基有源层薄膜与衬底的剥离(参阅图7)。电化学腐蚀的电解液也可使用HNO3、H3PO4、H2SO4、KOH等溶液；
E)通过GaN刻蚀、第二肖特基金属210淀积、第二器件空气桥引出pad211等工艺完成片上肖特基器件制作工艺(参阅图8)。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
Claims (7)
1.一种制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构，其特征在于：所述外延结构为结构一或结构二：
所述结构一包括衬底、缓冲层、电流扩展层、GaN牺牲层和肖特基有源层；所述衬底、缓冲层、电流扩展层、GaN牺牲层和肖特基有源层依次连接；电流扩展层与GaN牺牲层均为高电导层，所述电流扩展层与GaN牺牲层间形成低电阻导电通道；
所述结构二包括衬底、缓冲层、GaN牺牲层和肖特基有源层；所述衬底、缓冲层、GaN牺牲层和肖特基有源层依次连接；所述肖特基有源层与GaN牺牲层间形成低电阻导电通道；
所述外延结构为结构一或结构二时，肖特基有源层包括依次连接的n-GaN层和n+GaN层；n+GaN层或n-GaN层与GaN牺牲层连接；n-GaN层的掺杂杂质是Si，掺杂浓度为1×1016/cm3～1×1018/cm3，n-GaN层的厚度为0.05μm～1μm；n+GaN层的掺杂杂质是Si，掺杂浓度大于1×1018/cm3，厚度范围为0.05μm～5μm；当外延结构为结构二时，n+GaN层与GaN牺牲层均为高电导层；n+GaN层与GaN牺牲层连接，两者之间形成低电阻导电通道；
所述外延结构为结构一或结构二时，GaN牺牲层采用腐蚀选择性高于衬底、缓冲层、电流扩展层和肖特基有源层的材料制成，GaN牺牲层的电化学腐蚀速率是缓冲层、电流扩展层和肖特基有源层腐蚀速率的10倍以上。
2.根据权利要求1所述的一种制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构，其特征在于：所述外延结构为结构一或结构二时，衬底采用GaN、Si、蓝宝石或SiC材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的一种制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构，其特征在于：所述外延结构为结构一或结构二时，缓冲层采用GaN、InGaN、AlGaN或AlN材料制成。
4.根据权利要求1或2所述的一种制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构，其特征在于：当外延结构为结构一时，所述电流扩展层采用GaN、InGaN、AlGaN或AlN材料制成，所述电流扩展层的掺杂浓度大于1×1018/cm3，所述电流扩展层的厚度为0.1μm～3μm。
5.根据权利要求4所述的一种制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构，其特征在于：当外延结构为结构一时，GaN牺牲层的电导大于电流扩展层和肖特基有源层的电导，所述GaN牺牲层的厚度为0.1μm～3μm。
6.一种权利要求1所述的一种制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构的工艺方法，其特征在于：当外延结构为结构一时，包括步骤：
A)在外延结构的肖特基有源层的上表面淀积绝缘介质层；
B)通过光刻和刻蚀在绝缘介质层的表面形成电极窗口，向下刻蚀电极窗口在电流扩展层上形成欧姆电极台面，使欧姆电极台面与GaN牺牲层之间具有低电阻导电通道；
C)在n+GaN层上形成肖特基器件的欧姆接触金属电极；
D)暴露GaN牺牲层的部分表面或/和侧壁，得到暴露的GaN牺牲层；
E)对暴露的GaN牺牲层进行电化学腐蚀，使GaN基肖特基有源层与衬底剥离；
F)制作肖特基接触金属电极，完成高频GaN基薄膜肖特基器件的制作。
7.一种权利要求6所述的一种制作高频GaN基薄膜肖特基器件的外延结构的工艺方法，其特征在于：当外延结构为结构二时，n+GaN层与GaN牺牲层连接；包括步骤：
A)在外延结构的n-GaN层的上表面淀积绝缘介质层；
B)在n+GaN层上形成欧姆接触金属电极和欧姆电极台面；
C)暴露GaN牺牲层的部分表面或/和侧壁，得到暴露的GaN牺牲层；
D)对暴露的GaN牺牲层进行电化学腐蚀，使GaN基肖特基有源层与衬底剥离；
E)制作肖特基接触金属电极，完成高频GaN基薄膜肖特基器件的制作。
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