CN113594228A - 具有异质结终端的氮化镓肖特基势垒二极管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有异质结终端的氮化镓肖特基势垒二极管及制备方法，主要解决现有技术击穿电压低、可靠性差的问题。其自下而上包括衬底层(1)、氮化镓沟道层(2)、铝镓氮势垒层(3)，铝镓氮势垒层上的两端分别为欧姆阴极金属层(4)及肖特基阳极金属层(5)；肖特基阳极金属层的左侧设有P型氧化镍层(6)，以使器件在反向工作时形成更宽的耗尽区；欧姆阴极金属层与P型氧化镍层之间设有钝化介质层(7)，以填补铝镓氮势垒层中的N空位；该肖特基阳极金属层采用嵌入式凹槽结构，其一侧与P型氧化镍层紧贴，下部嵌入到氮化镓沟道层中。本发明提高了氮化镓肖特基势垒二极管的反向击穿电压，降低了反向漏电，可用于高频高功率电子设备。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，特别是涉及一种氮化镓肖特基势垒二极管，可用于制作各种高功率电子设备。
背景技术
氮化镓是第三代半导体材料的代表，它具有3.4eV的超宽禁带宽度，其理论击穿场强比硅基器件高出很多，同时氮化镓基器件还具有高的电子迁移率和低的本征载流子浓度，因此适用于制备大功率器件，进而应用在军工、航天等对器件可靠性要求极高的设备中。氮化镓基肖特基势垒二极管在具有上述优势和特点的同时，与PN结二极管相比，具有超低的导通电压和较小的反向漏电，在高功率、高温的恶劣工作条件下也能较好的发挥，因此得到广泛应用。
结合国内外的发展，目前的肖特基势垒二极管仍存在一些问题。除去外延本身就是异质结存有一定的位错密度外，还有其他的一些寄生问题。比如，氮化镓基的肖特基势垒二极管实质上它的击穿电压与材料理论击穿值相比仍有很大的提升空间；在二极管反向工作时，漏电虽然较传统PN结二极管小，但还有可优化的余地，能够进一步减小漏电。
现有的横向氮化镓肖特基势垒二极管结构，如图1所示，其自下而上包括衬底层1、氮化镓沟道层2、铝镓氮势垒层3，在铝镓氮势垒层3上设有欧姆阴极金属4和肖特基阳极金属5。目前关于氮化镓肖特基势垒二极管的应用非常广泛，因此对于该器件的研究具有不可估量的价值。如图1现有的这种肖特基势垒二极管结构由于没有终端结构的保护，器件反向性能不够突出。另外，由于在二极管反向工作时，肖特基势垒高度不够高，因此耗尽程度不高，导致漏电流较大。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种具有异质结终端的氮化镓肖特基势垒二极管及制备方法，以有效增大氮化镓二极管的反向击穿电压、降低漏电流，提升器件性能。
本发明的技术方案是这样实现的：
1.一种具有异质结终端的氮化镓肖特基势垒二极管，其自下而上包括衬底层1、氮化镓沟道层2、铝镓氮势垒层3，铝镓氮势垒层3上部的两端分别为欧姆阴极金属层4和肖特基阳极金属层5，其特征在于：肖特基阳极金属层5的左侧设有P型氧化镍层6，以使器件在反向工作时，形成的耗尽区更宽，耗尽效果更强，降低反向漏电流的大小；欧姆阴极金属层4与P型氧化镍层6之间设有钝化介质层7，以填补铝镓氮势垒层3中的N空位，降低漏电流大小，进而增高击穿电压。
进一步，所述肖特基阳极金属层5采用嵌入式凹槽结构，即一侧与P型氧化镍层6紧贴，下部嵌入到氮化镓沟道层2中，其凹槽深度为10nm～100nm。
进一步，所述铝镓氮势垒层3的厚度为10nm～100nm；所述氮化镓沟道层2的厚度为100nm～2um；所述P型氧化镍层6的厚度为100nm～500nm。
进一步，所述钝化介质层7，采用的介质材料为SiO2、Al2O3、Si3N4中的一种，其厚度为50nm～200nm。
进一步，所述欧姆阴极金属层4，采用Ti、Al、Ni、Au和Pt金属中的一种材料形成单层或多种材料组成多层；所述肖特基阳极金属层5，采用Ni、Au和W金属中的一种材料形成单层或多种材料组成多层。
2.一种具有异质结终端的氮化镓肖特基势垒二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)选用自下而上依次包括衬底层1、氮化镓沟道层2和铝镓氮势垒层3的外延片；
2)在铝镓氮势垒层3上进行第一次光刻形成图案，并采用电子束蒸发工艺在该图案区域生长欧姆阴极金属并进行热退火处理，形成欧姆阴极金属层4；
3)在铝镓氮势垒层3上进行第二次光刻形成图案，并采用反应离子刻蚀工艺，向下刻10nm～100nm至氮化镓沟道层2内，形成凹槽；
4)在铝镓氮势垒层3上进行第三次光刻形成图案，并采用溅射工艺在该图案区域生长厚为100nm～500nm的P型氧化镍，形成P型氧化镍层6；
5)在铝镓氮势垒层3上进行第四次光刻形成图案，并采用电子束蒸发工艺在该图案区域生长肖特基阳极金属并进行热退火处理，形成肖特基阳极金属层5；
6)在铝镓氮势垒层3上进行第五次光刻形成图案，并采用化学气相淀积工艺在该图案区域淀积厚度为50nm～200nm的钝化介质层7，完成整个器件的制作。
本发明与现有技术相比具有以下优点和效果：
第一，由于本发明设有P型氧化镍层，因而当器件在反向工作时，形成的耗尽区更宽，耗尽效果更强，可降低反向漏电流；
第二，由于本发明增设有钝化介质层，因而填补了外延片材料中的N空位，减少了材料的漏电途径，降低了漏电流，进而增高了击穿电压，提升了器件性能。
附图说明
图1为现有横向氮化镓肖特基势垒二极管横截面示意图；
图2为本发明具有异质结终端的氮化镓肖特基势垒二极管横截面示意图；
图3为本发明制作图2肖特基势垒二极管的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施做进一步详细描述：
参照图2，本发明的具有异质结终端的肖特基势垒二极管，包括衬底层1，氮化镓沟道层2，铝镓氮势垒层3，欧姆阴极金属层4，肖特基阳极金属层5，P型氧化镍层6和钝化介质层7。其中：所述氮化镓沟道层2的厚度为100nm～2um，其位于衬底层1的上部；铝镓氮势垒层3的厚度为10nm～100nm，其位于氮化镓沟道层2的上部；欧姆阴极金属层4采用Ti、Al、Ni、Au和Pt金属中的一种材料形成单层结构或多种材料组成多层结构，其位于铝镓氮势垒层3上部的左端；P型氧化镍层6的厚度为100nm～500nm的P型氧化镍材料，其位于铝镓氮势垒层3上部的右侧；钝化介质层7采用的介质材料为SiO2、Al2O3、Si3N4中的任意一种，其厚度为50nm～200nm，且位于欧姆阴极金属层4与P型氧化镍层6之间；肖特基阳极金属层5采用W、Ni/Au金属材料中的一种，其采用嵌入式凹槽结构，且位于P型氧化镍层6的右侧，下部嵌入到氮化镓沟道层2中，其凹槽深度为10nm～100nm。
参照图3，本发明制作上述具有异质结终端的氮化镓肖特基势垒二极管方法，给出以下三种实施例：
实施例1：制作P型氧化镍层厚度为100nm，欧姆阴极金属为Ti/Au，肖特基阳极金属为Ni/Au，钝化介质层材料为Si3N4的肖特基二极管。
步骤1：清洗外延片，如图3(a)所示。
本实例使用自下而上包括衬底层，氮化镓沟道层，铝镓氮势垒层的外延片，其中氮化镓沟道层的厚度为1um，铝镓氮势垒层的厚度为30nm；
将上述外延片依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮***将外延片吹干。
步骤2：淀积欧姆阴极金属层，如图3(b)所示。
在铝镓氮势垒层上进行第一次光刻形成图案，再将外延片放入电子束蒸发台，在功率为30W，真空为5E-4Pa的条件下，以0.1nm/s的速率在外延片上蒸发厚度分别为20/45nm的Ti/Au作为欧姆阴极金属；
采用剥离工艺去除样片表面多余金属，并在860℃条件下退火处理30s，形成欧姆阴极金属层。
步骤3：刻蚀阳极凹槽，如图3(c)所示。
在铝镓氮势垒层上进行第二次光刻形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在功率为150W，压力为5mTorr，气体Cl2与BCl3流速比例为75sccm：30sccm的条件下，将整个样片向下刻蚀30nm，形成凹槽；
再将形成凹槽后的外延片依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮***将外延片吹干。
步骤4：溅射P型氧化镍层，如图3(d)所示。
在铝镓氮势垒层上进行第三次光刻形成图案，再采用磁控溅射工艺，在图案区域溅射P型氧化镍层，其厚度为100nm，再采用剥离工艺去除样片表面的多余金属，并依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮***将样片吹干。
步骤5：淀积肖特基阳极金属，如图3(e)所示。
在铝镓氮势垒层上进行第四次光刻形成图案，再将样片放入电子束蒸发台，在功率为30W，真空为5E-4Pa的条件下，以0.1nm/s的速率在样品表面蒸发厚度为120/150nm的Ni/Au作为肖特基阳极金属；
采用剥离工艺去除样片表面上的多余金属，并在450℃条件下退火处理5min，形成肖特基阳极金属层。
步骤6：淀积钝化介质层，如图3(f)所示。
在铝镓氮势垒层上进行第五次光刻形成图案，再将样片放入等离子体增强化学气相沉积设备，在功率为20W，反应室压强为2000mTorr，腔体淀积温度为220℃，反应室气体SiH4：N2O：N2流速比为40sccm：710sccm：180sccm的条件下，淀积厚度为80nm的Si3N4钝化介质层，完成具有异质结终端的肖特基势垒二极管制作。
实施例2：制作P型氧化镍层厚度为200nm，欧姆阴极金属为Ti/Al/Ni/Au，肖特基阳极金属为Ni/Au，钝化介质层材料为SiO2的肖特基二极管。
步骤A：清洗外延片，如图3(a)所示。
本实施例的步骤A与实施例1中的步骤1相同。
步骤B：淀积欧姆阴极金属层，如图3(b)所示。
B1)在铝镓氮势垒层上进行第一次光刻形成图案，再将外延片放入电子束蒸发台，在功率为35W，真空为5E-4Pa的条件下，以0.1nm/s的速率在外延片上蒸发厚度分别为20/145/50/45nm的Ti/Al/Ni/Au作为欧姆阴极金属；
B2)采用剥离工艺去除样片表面多余金属，并在860℃条件下退火处理30s，形成欧姆阴极金属层。
步骤C：刻蚀阳极凹槽，如图3(c)所示。
C1)在铝镓氮势垒层上进行第二次光刻形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在功率为180W，压力为5mTorr，气体Cl2与BCl3流速比例为75sccm：30sccm的条件下，将整个样片向下刻蚀30nm，形成凹槽；
C2)再将形成凹槽后的外延片依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮***将外延片吹干。
步骤D：溅射P型氧化镍层，如图3(d)所示。
D1)在铝镓氮势垒层上进行第三次光刻形成图案，再采用磁控溅射工艺，在图案区域溅射P型氧化镍层，其厚度为200nm；
D2)再采用剥离工艺去除样片表面的多余金属，并依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮***将样片吹干。
步骤E：肖特基阳极金属淀积，如图3(e)所示。
E1)在铝镓氮势垒层上进行第四次光刻形成图案，再将样片放入电子束蒸发台，在功率为35W，真空为5E-4Pa的条件下，以0.1nm/s的速率在样品表面蒸发厚度为120/150nm的Ni/Au作为肖特基阳极金属；
E2)采用剥离工艺去除样片表面上的多余金属，并在450℃条件下退火处理5min，形成肖特基阳极金属层。
步骤F：淀积钝化介质层，如图3(f)所示。
F1)在铝镓氮势垒层上进行第五次光刻形成图案，；
F2)再将样片放入等离子体增强化学气相沉积设备，在功率为25W，反应室压强为2000mTorr，腔体淀积温度为300℃，反应室SiH4与O2的气体流速比例为40sccm：710sccm的条件下，淀积厚度为200nm的SiO2钝化介质层，完成具有异质结终端的肖特基势垒二极管制作。
实施例3：制作P型氧化镍层厚度为300nm，欧姆阴极金属为Ti/Al/Au，肖特基阳极金属为W，钝化介质层材料为Al2O3的肖特基二极管。
步骤一：清洗外延片，如图3(a)所示。
本实施例的步骤一与实施例1中的步骤1相同。
步骤二：淀积欧姆阴极金属层，如图3(b)所示。
首先，在铝镓氮势垒层上进行第一次光刻形成图案，再将外延片放入电子束蒸发台，在功率为40W，真空为5E-4Pa的条件下，以0.1nm/s的速率在外延片上蒸发厚度分别为20/145/45nm的Ti/Al/Au作为欧姆阴极金属；
接着，采用剥离工艺去除样片表面多余金属，并在860℃条件下退火处理30s，形成欧姆阴极金属层。
步骤三：刻蚀阳极凹槽，如图3(c)所示。
首先，在铝镓氮势垒层上进行第二次光刻形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在功率为200W，压力为5mTorr，气体Cl2与BCl3流速比例为75sccm:30sccm的条件下，将整个样片向下刻蚀30nm，形成凹槽；
接着，再将形成凹槽后的外延片依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮***将外延片吹干。
步骤四：溅射P型氧化镍层，如图3(d)所示。
首先，在铝镓氮势垒层上进行第三次光刻形成图案，再采用磁控溅射工艺，在图案区域溅射P型氧化镍层，其厚度为300nm；
接着，用剥离工艺去除样片表面的多余金属，并依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮***将样片吹干。
步骤五：淀积肖特基阳极金属，如图3(e)所示。
首先，在铝镓氮势垒层上进行第四次光刻形成图案，再将样片放入电子束蒸发台，在功率为40W，真空为5E-4Pa的条件下，以0.1nm/s的速率在上述表面蒸发厚度为200nm的W作为肖特基阳极金属；
接着，采用剥离工艺去除整个样片表面上的多余金属，并在450℃条件下退火处理5min，形成肖特基阳极金属层。
步骤六：淀积钝化介质层，如图3(f)所示。
首先，在铝镓氮势垒层上进行第五次光刻形成图案；
接着，再将样片放入等离子体增强化学气相沉积设备，在功率为30W，反应室压强为2000mTorr，腔体淀积温度为380℃，反应室气体流速Ar：N2O：TMA的比例为700sccm：800sccm：100sccm的条件下，在整个样片上淀积厚度为200nm的Al2O3钝化介质层，完成具有异质结终端的肖特基势垒二极管制作。
Claims (10)
1.一种具有异质结终端的氮化镓肖特基势垒二极管，其自下而上包括衬底层(1)、氮化镓沟道层(2)、铝镓氮势垒层(3)，铝镓氮势垒层(3)上部的两端分别为欧姆阴极金属层(4)和肖特基阳极金属层(5)，其特征在于：
肖特基阳极金属层(5)的左侧设有P型氧化镍层(6)，以使器件在反向工作时，形成的耗尽区更宽，耗尽效果更强，降低反向漏电流的大小；
欧姆阴极金属层(4)与P型氧化镍层(6)之间设有钝化介质层(7)，以填补铝镓氮势垒层(3)中的N空位，降低漏电流大小，进而增高击穿电压。
2.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：
肖特基阳极金属层(5)采用嵌入式凹槽结构，即一侧与P型氧化镍层(6)紧贴，下部嵌入到氮化镓沟道层(2)中，其凹槽深度为10nm～100nm。
3.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：
所述铝镓氮势垒层(3)的厚度为10nm～100nm；
所述氮化镓沟道层(2)的厚度为100nm～2um；
所述P型氧化镍层(6)的厚度为100nm～500nm。
4.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：
所述钝化介质层(7)，采用的介质材料为SiO2、Al2O3、Si3N4中的一种，其厚度为50nm～200nm。
5.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：
所述欧姆阴极金属层(4)，采用Ti、Al、Ni、Au和Pt金属中的一种材料形成单层或多种材料组成多层。
6.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：
所述肖特基阳极金属层(5)，采用Ni、Au和W金属中的一种材料形成单层或多种材料组成多层。
7.一种具有异质结终端的氮化镓肖特基势垒二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)选用自下而上依次包括衬底层(1)、氮化镓沟道层(2)和铝镓氮势垒层(3)的外延片；
2)在铝镓氮势垒层(3)上进行第一次光刻形成图案，并采用电子束蒸发工艺在该图案区域生长欧姆阴极金属并进行热退火处理，形成欧姆阴极金属层(4)；
3)在铝镓氮势垒层(3)上进行第二次光刻形成图案，并采用反应离子刻蚀工艺，向下刻10nm～100nm至氮化镓沟道层(2)内，形成凹槽；
4)在铝镓氮势垒层(3)上进行第三次光刻形成图案，并采用溅射工艺在该图案区域生长厚为100nm～500nm的P型氧化镍，形成P型氧化镍层(6)；
5)在铝镓氮势垒层(3)上进行第四次光刻形成图案，并采用电子束蒸发工艺在该图案区域生长肖特基阳极金属并进行热退火处理，形成肖特基阳极金属层(5)；
6)在铝镓氮势垒层(3)上进行第五次光刻形成图案，并采用化学气相淀积工艺在该图案区域淀积厚度为50nm～200nm的钝化介质层(7)，完成整个器件的制作。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：
所述(2)中采用电子束蒸发的工艺条件为：工作真空：5E-4Pa；反应室气体：Ti、Al、Ni、Au和Pt金属中的一种或多种；蒸发速率：0.1nm/s；蒸发功率：30W～40W；
所述(5)中采用电子束蒸发的工艺条件为：工作真空：5E-4Pa；反应室气体：Ni/Au，或W；蒸发速率：0.1nm/s；蒸发功率：30W～40W。
9.根据权利要求7所述的方法，其中步骤(3)中采用反应离子刻蚀工艺进行刻蚀，其工艺条件如下：
反应室压强：5mTorr，
反应室气体：Cl2与BCl3，
反应室气体流速比例：Cl2：BCl3＝75sccm：30sccm，
RF射频源：150W～200W。
10.根据权利要求7所述的方法，其中步骤(6)中采用增强型化学气相淀积的工艺条件如下：
反应室压强：2000mTorr，
反应室气体：SiH4、N2O、N2这三种气体，或SiH4与O2这两种气体，或Ar、N2O、TMA这三种气体，
反应室气体流速比例：SiH4：N2O：N2＝40sccm：710sccm：180sccm，或SiH4：O2＝40sccm：710sccm，或Ar：N2O：TMA＝700sccm：800sccm：100sccm，
反应室温度：220℃～380℃，
RF射频源：20W～30W。
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