基于离子注入氟实现高增益氮化镓肖特基二极管的制备方法与流程

本发明涉及一种肖特基二极管的制作领域，具体涉及一种通过离子注入氟改进宽禁带半导体材料氮化镓肖特基二极管制作工艺的方法。

背景技术：

宽禁带iii族氮化物半导体，gan材料由于自身在高频、大功率领域具有巨大潜力，因此gan基的电子器件对于高级通信网络中的放大器、调制器和其他关键器件非常有用。gan晶体管可以将未来的无线网络基站放大器的效率提高到现在的两倍或三倍。gan晶体管的耐热性能、高功率性能使得其在雷达，汽车电子电路方面成为非常理想的元器件。应当注意到，作为基础的半导体器件之一和其它器件的重要构成，肖特基接触结构的电学行为对整个器件的电学特性具有不可忽略的影响。例如，对于algan/gan异质结高电子迁移率晶体管，非理想的肖特基栅极结构容易引起器件整体电学特性下降等严重的可靠性问题，如漏电流退化、噪音增大和击穿电压减小等^[1-3]。不幸的是，gan外延层和异质衬底(如蓝宝石)之间存在较大的晶格和热膨胀失配，所生长的薄膜内线性位错密度较高，约10⁸-10¹⁰cm^-2,容易导致所制备的肖特基接触的漏电流密度比理论值大几个数量级^[4-5]。目前，采用自支撑同质gan衬底可有效减小外延层内的位错密度和提高外延层质量，为进一步制备高性能gan器件提供材料生长技术支撑。

某种程度上，肖特基二级管的工作方式与单边突变p-n结的工作方式在电学上有些相似，但是肖特基二极管是多数载流子工作的器件，因此具有快速响应能力。所以除了电荷存储二极管外，p-n结二极管的端功能都可由肖特基二极管来完成，这是因为在多数载流子器件中，电荷存储时间非常短。另外一个区别在于肖特基二极管有较大的电流密度，这是因为其内建电势较小以及热电子发射与扩散相比所具有的天然特性，使得正向压降降低，但同时也带来了一些缺点，如肖特基二极管的反向电流大，击穿电压低。通过在传统的肖特基二极管制备的工艺工程中，在钝化层淀积与肖特基金属电极蒸发两步工艺之间加入离子注入氟的工艺，f离子的存在可以提高内建势垒高度φf从而减小反向电流。有结果表明退火后f离子注入过程中在势垒层中引入的缺陷和陷阱对器件的性能影响很小。基于f离子注入减小肖特基二极管反向电流的方法具有工艺简单、重复性高且弥补了材料质量中的缺陷和位错密度高的不足，经过大量实验发现，表面电势的增加是永久性的。

技术实现要素：

本发明目的在于针对现有技术所存在的不足，提供了一种通过离子注入氟实现高增益氮化镓肖特基二极管的工艺方法，可有效减低器件反向偏压电流，并且可实现性强。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种基于离子注入氟实现高增益氮化镓肖特基二极管，包括

同质gan体衬底及部分区域经过离子注入氟处理的n-gan半导体层；所述部分区域经过离子注入氟处理的n-gan半导体层上设置有肖特基金属电极；所述部分区域未经过离子注入氟处理的n-gan半导体层上设置有欧姆金属电极。

在实施例中，所述的圆环形欧姆金属电极将所述的圆形肖特基金属电极设在其内圆弧中，两个电极的距离为20um。

在实施例中，所述的欧姆金属电极为ti/al/ni/au四层电极，厚度为240nm；所述的肖特基金属电极为ni/au双层电极，厚度为300nm。

一种基于离子注入氟实现高增益氮化镓基肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述具体制作步骤包括：

ⅰ、在同质gan体衬底上通过金属有机气相外延法生长浓度为4.1x10¹⁶cm^-3的n型gan掺杂层，体衬底与外延片总厚度为330um，把清洗干净的gan外延片浸入按一定比率稀释的氢氟酸溶液中60秒去除半导体表面氧化物。

ⅱ、利用标准光刻和lift-off技术定义器件的结构。

ⅲ、在n型gan外延层上利用电子束蒸发在欧姆电极区域沉积ti/al/ni/au作为环形欧姆接触的金属，并在氮气气氛下进行800度退火处理70秒，形成良好的欧姆接触。

ⅳ、在外延片正面采用热氧化或等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)或者低压化学气相沉积法(lpcvd)沉积氧化硅钝化层。采用激光刻蚀选择性去除外延片上离子注入区域的氧化硅,未刻蚀的氧化硅作为后期离子注入的掩膜，减小欧姆电极下方氟离子浓度。

ⅴ、在n型gan外延层上肖特基电极区域下离子注入氟，注入能量为10kev，注入剂量为2e13,注入角度为+7度，并做退火处理。

ⅵ、在外延片正面中心离子注入氟的区域上方采用电子束蒸发形成直径为150um的ni/au(50nm/250nm)圆形肖特基接触金属层电极。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

本发明描述了一种基于离子注入氟实现高增益氮化镓基肖特基二极管的方法，通过该方法制作的氮化镓肖特基二极管一方面采用离子注入氟增加了内部势垒高度，减小了反向偏压下的电流，从而提高了器件的增益，而且f^-离子注入损失小且经过快速热退火处理后，对器件中的不稳定的f^-离子具有较好的固化作用，提高器件工作的可靠性。另一方面器件兼备结构简单、制备成本较低以及离子注入工艺可重复性高等诸多优点。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明实施例的经过离子注入氟的gan肖特基二极管的横截面结构示意图；

图2是本发明实施例的经过离子注入氟的gan肖特基二极管的俯视结构示意图；

图中各标记分别代表的是：1-体自撑gan同质衬底，2-含有离子注入氟的n-gan外延层，3-ti/al/ni/au(20nm/120nm/50nm/50nm)的环形欧姆接触金属层电极，4-二氧化硅钝化层，5-ni/au(50nm/250nm)圆形肖特基接触金属层电极。

图3是本发明实施例的经过离子注入氟的gan肖特基二极管与未经氟离子注入的同种结构的器件的电流对比图，在反向偏压为-5v时，两种器件的电流之比达到10⁷；

图4是本发明实施例的经过离子注入氟的gan肖特基二极管在暗室下的暗电流和360nm、365nm紫外波段照射下的光电流的对比图，增益大小也达到了10⁷；

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例：

本实施例描述了一种基于离子注入氟实现高增益氮化镓肖特基二极管，从器件正面到背面(正面指的是受光面，背面指的是非受光面)依次包括:正面的肖特基金属层电极5和欧姆金属层电极3，二氧化硅钝化层4，正面的离子注入氟的n型gan层2以及背面的同质gan衬底1。

具体的制作工艺步骤如下：

步骤1：选取合适的外延材料，相比较与蓝宝石衬底，采用自支撑同质gan衬底可有效减小外延层内的位错密度和提高外延层质量。

值得说明的是，器件工艺开始之前的表面清洗是整个工艺的重要组成部分，它对于在器件表面淀积金属或介质的粘附性以及最终的器件特性起着重要的作用。尽管有机溶液(丙酮乙醇等)和酸碱溶液的清洗不能完全保证gan表面达到原子级的清洁程度，但能够有效地去除gan表面氧化层和玷污。

步骤2：在同质gan衬底上采用金属有机物化学气相沉积法生长一层浓度为4.1x10¹⁶cm^-3、厚度为2um的n-gan外延片。

步骤3：在外延片正面采用热氧化或等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)或者低压化学气相沉积法(lpcvd)沉积氧化硅钝化层。

步骤4：在外延片正面采用激光刻蚀选择性去除指定区域的氧化硅。

步骤5：刻蚀掉氧化硅的区域采用电子束蒸发形成ti/al/ni/au(20nm/120nm/50nm/50nm)的环形欧姆接触金属层电极。

步骤6：进一步，在电子束蒸发形成欧姆电极后对其进行快速热退火的处理过程为，在800度的氮气氛围下快速热退火(rta)70秒形成欧姆接触。

值得说明的是，以多层金属形成好的欧姆接触，要求最接近n-gan底层的金属必须要有小的功函数。通常在n-gan欧姆接触中选择ti作为势垒层金属，ti是一种非常高活性且难熔的金属，十分容易与退火过程中由n-gan外扩散的n原子发生固相化学反应，形成半金属tin；同时gan中留下了高密度氮空位vn，起浅施主的作用，非常有利于形成欧姆接触。

步骤7：在外延片正面中心被刻蚀掉氧化硅的区域采用离子注入技术，注入氟离子，能量为10kev，注入剂量为2e13,注入角度为正7度。

值得说明的是，通过离子注入在轻掺杂gan层2内抬高了内部势垒高度，以提高制备得到的肖特基二极管器件的反向电流，实现器件的高增益。

步骤8：进一步，在外延片正面一侧离子注入氟后对外延片进行快速热退火的处理过程为，在400度的氮气氛围中处理10-20min。

步骤9：在外延片正面中心离子注入氟的区域上方采用电子束蒸发形成直径为150um的ni/au(50nm/250nm)圆形肖特基接触金属层电极，与欧姆接触电极之间的距离为20um。

具体地，肖特基电极层5的材料可选自ni、pt、au、pd、co、cr、cu、ag、al、w等金属或其合金(如ni/au合金等)，而欧姆电极层3的材料可选自al、ti、mo、ni、au、pt、ta、pd、w、cr等金属或合金(如ti/al/ni/au多层合金等)，两者厚度均控制在250nm-300nm即可；同时，二者均可采用电子束蒸发法或磁控溅射法形成。在肖特基二极管的一般制备过程中，肖特基电极层5以及欧姆电极层3等的制备材料、制备方法以及厚度等参数均为本领域常规操作，这里不再赘述。

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。