一种用于无线能量传输的肖特基二极管及整流电路的制作方法

本发明属于无线能量传输技术领域，具体涉及一种用于无线能量传输的肖特基二极管及整流电路。

背景技术：

无线能量传输是将电能以无线能量的方式进行远距离传输。无线能量传输技术是一种新的能量传输方式，在太阳能电站、深空探测等领域具有广阔的应用前景。

作为无线能量传输系统的一种重要形式，微波无线能量传输系统是以微波波段的电磁波作为输入能量，使用发射天线到接收天线的点对点的传播方式。转换效率是评价微波无线能量传输系统的关键指标，标志着微波能量转换为直流能量的能力。因此，目前在微波无线能量传输领域，如何提升转换效率是研究的重点和热点。

微波无线能量传输系统整流电路内的整流二极管，即整流天线内的肖特基二极管，决定着最高转换效率的大小。研究证实，如果能够提高肖特基二极管的电子迁移率，会使肖特基二极管对高频信号响应更加及时，更适合在高频下工作，有利于提升最大转换效率。

因此，如何提高肖特基二极管的电子迁移率，以提升微波无线能量传输系统的最大转换效率，是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了提高肖特基二极管的电子迁移率，以提升微波无线能量传输系统的最大转换效率，本发明提供了一种用于无线能量传输的肖特基二级管及整流电路。

具体地，本发明一个实施例提出的一种用于无线能量传输的肖特基二极管，包括：

si衬底(001)、第一ge层(002)、张应变ge层(003)、第二n型ge1-xsnx层(004)、第三n型ge1-xsnx层(006)、al金属层(007)和w金属层(009)，其中，

所述第一ge层(002)设置在所述si衬底(001)的表面；

所述张应变ge层(003)设置在所述第一ge层(002)的表面；

所述第二n型ge1-xsnx层(004)设置在所述张应变ge层(003)的表面；

所述第三n型ge1-xsnx层(006)内嵌在所述第二n型ge1-xsnx层(004)中；

所述al金属层(007)设置在所述第三n型ge1-xsnx层(006)的表面上；

所述w金属层(009)设置在所述第二n型ge1-xsnx层(004)的预设肖特基接触区域内。

在本发明的一个实施例中，所述张应变ge层(003)是对所述第一ge层(002)表面上的第二ge层进行热退火后形成的；其中，所述第一ge层(002)的厚度为50nm；所述第二ge层的厚度为900～950nm。

在本发明的一个实施例中，所述第二n型ge1-xsnx层(004)是对所述张应变ge层(003)上的第一n型ge1-xsnx层注入p离子后形成的。

在本发明的一个实施例中，所述第一n型ge1-xsnx层的厚度为1000～1100nm，0.08<x<0.1。

在本发明的一个实施例中，所述第二n型ge1-xsnx层(004)的掺杂浓度为1.8×10¹⁶～2×10¹⁶cm^-3。

在本发明的一个实施例中，所述第三n型ge1-xsnx层(006)是对所述第二n型ge1-xsnx层(004)局部进行p离子注入后形成的。

在本发明的一个实施例中，所述第三n型ge1-xsnx层(006)的掺杂浓度为10²⁰cm^-3。

在本发明的一个实施例中，所述si衬底(001)为厚度为300～400μm的单晶si衬底。

在本发明的一个实施例中，所述al金属层(010)和所述w金属层(012)的厚度均为10～20nm。

本发明的另一个实施例提出了一种用于无线能量传输的整流电路，所述整流电路包括上述任一所述的肖特基二极管。

本发明通过ge带隙类型转变形成第二n型ge1-xsnx层，所述第二n型ge1-xsnx层的材料为弛豫gesn材料，该材料的电子迁移率可以比纯ge材料的电子迁移率提高一倍，用该材料制备微波无线能量传输系统内的肖特基二极管，可以提升微波无线能量传输系统的转换效率；

本发明中直接带隙弛豫gesn半导体与si工艺兼容，且步骤简单，具有明显的成本优势；

本发明采用了平面工艺制造方法制造用于无线能量传输的肖特基二极管，工艺及结构简单，更易于集成和工艺控制。

通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于无线能量传输的肖特基二极管的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于无线能量传输的肖特基二极管的制备方法的流程示意图；

图2-1～图2-11为本发明实施例提供的一种用于无线能量传输的肖特基二极管的制备工艺示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

本发明实施例提供了一种用于无线能量传输的肖特基二极管。请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种用于无线能量传输的肖特基二极管的结构示意图。

如图1所示，所述用于无线能量传输的肖特基二极管，包括：

si衬底(001)、第一ge层(002)、张应变ge层(003)、第二n型ge1-xsnx层(004)、第三n型ge1-xsnx层(006)、al金属层(007)和w金属层(009)，其中，

所述第一ge层(002)设置在所述si衬底(001)的表面；

所述张应变ge层(003)设置在所述第一ge层(002)的表面；

所述第二n型ge1-xsnx层(004)设置在所述张应变ge层(003)的表面；

所述第三n型ge1-xsnx层(006)内嵌在所述第二n型ge1-xsnx层(004)中；

所述al金属层(007)设置在所述第三n型ge1-xsnx层(006)的表面上；

所述w金属层(009)设置在所述第二n型ge1-xsnx层(004)的预设肖特基接触区域内。

一种实现方式中，所述张应变ge层(003)是对所述第一ge层(002)表面上的第二ge层进行热退火后形成的；其中，所述第一ge层(002)的厚度为50nm；所述第二ge层的厚度为900～950nm。

由于si和ge材料的热膨胀系数不同，可以通过si衬底与ge材料之间的热失配在ge材料层中引入应力，通过施加应力引起能带结构的调制；反映在能带图上，表现为导带底的曲率发生改变，实际上改变的是导带电子的有效质量，该改变可以引起各散射机制中散射概率的改变，进而提高电子迁移率。

鉴于此，在本发明实施例中，可以在si衬底上采用低温温度先形成第一ge层，再采用高温温度形成第二ge层。

形成所述第一ge层和所述第二ge层的方式可以包括分子束外延生长(molecularbeamepitaxy，mbe)法、化学气象淀积法(chemicalvapordeposition，cvd)和磁控溅法等等。当然，在本发明实施例中，形成所述第一ge层和所述第二ge层的方式不限于以上所述方式。

由于第二ge层的形成会产生位错等缺陷，通过热退火处理，可以减小生长和掺杂过程中第二ge层中产生的缺陷和激活掺杂元素，提高质量，使形成的第二ge层变成高质量的应变ge成品。

一种实现方式中，所述第二n型ge1-xsnx层(004)是对所述张应变ge层(003)上的第一n型ge1-xsnx层注入p离子后形成的。

其中，所述第一n型ge1-xsnx层是利用分子束外延方式，利用ge源和sn源在所述张应变ge层(003)表面上生长出的ge1-xsnx层。

一种实现方式中，所述第一n型ge1-xsnx层的厚度为1000～1100nm，0.08<x<0.1。

众所周知，ge是一种间接带隙半导体，但室温下其直接带隙仅比间接带隙大0.14ev，因此，在一定改性条件下，ge可以转化为直接带隙材料，即得到改性ge。改性ge由于带隙转化，其载流子辐射复合效率可以得到大幅度提高，将改性ge应用于微电子器件及其集成电路，可以显著提升电子迁移速度。

简要来说，“改性”是指通过一定的方法与技术，使ge布里渊区中心的导带底和决定其禁带宽度处于布里渊区边界方向的导带底相对于价带顶逐渐下降，且要求布里渊区中心导带底的下降速率较方向导带底的下降速率大。

研究证实，当在ge材料中引入sn(锡)组分形成合金，则其合金化作用导致的能级变化可由ge和sn的形变势参数等能带参量线性插值来表征。随着sn组分的增加，γ能谷下降，这样计算电导率有效质量时就要考虑到较小的γ能谷有效质量，最后得到的电导率有效质量更小，迁移率可以随之提升。

当在ge中加入组份至少为8％的sn形成ge1-xsnx合金时，可以实现ge带隙类型转化，得到改性ge。

可以理解的是，在本发明实施例中，形成的第一n型ge1-xsnx层为改性ge。

在本发明实施例中，对所述第一n型ge1-xsnx层注入p离子后形成所述第二n型ge1-xsnx层(004)，是为了在后续产生肖特基接触，进而基于肖特基接触形成第二电极a2。

其中，一种实现方式中，第二n型ge1-xsnx层(004)的掺杂浓度为1.8×10¹⁶～2×10¹⁶cm^-3。

掺杂浓度为1.8×10¹⁶～2×10¹⁶cm^-3属于轻掺杂，可以用于产生肖特基接触，进而在后续基于肖特基接触形成第二电极a2。

一种实现方式中，所述第三n型ge1-xsnx层(006)是对所述第二n型ge1-xsnx层(004)局部进行p离子注入后形成的。

形成所述第三n型ge1-xsnx层(006)，是为了在后续产生欧姆接触，进而基于欧姆接触形成第一电极a1。

其中，一种实现方式中，所述第三n型ge1-xsnx层(006)的掺杂浓度为10²⁰cm^-3。

掺杂浓度为10²⁰cm^-3属于重掺杂，可以用于产生欧姆接触，进而在后续基于欧姆接触形成第一电极a1。

一种实现方式中，所述si衬底(001)为厚度为300～400μm的单晶si衬底。

硅作为一种半导体，由于其稳定性高，常被用作肖特基二极管的衬底。制备硅衬底可以选取任意一种含有si的材料。而由于电子比空穴迁移率大，为了获得良好的频率特性，在本发明实施例中，可以用单晶si制备衬底。300～400μm是肖特基器件制备中使用晶圆的一个典型厚度规格。

一种实现方式中，所述al金属层(010)和所述w金属层(012)的厚度均为10～20nm。

需要说明的是，在本发明实施例中，基于欧姆接触形成的第一电极a1与基于肖特基接触形成的第二电极a2可以位于同一面，相比第一电极a1和第二电极a2分别位于上下面的肖特基二极管，本发明实施例提供的用于无线能量传输的肖特基二极管采用的是平面工艺。

本发明实施例通过ge带隙类型转变形成第二n型ge1-xsnx层，所述第二n型ge1-xsnx层的材料为弛豫gesn材料，该材料的电子迁移率可以比纯ge材料的电子迁移率提高一倍，用该材料制备微波无线能量传输系统内的肖特基二极管，可以提升微波无线能量传输系统的转换效率；

本发明实施例中直接带隙弛豫gesn半导体与si工艺兼容，且步骤简单，具有明显的成本优势；

本发明实施例采用了平面工艺制造方法制造用于无线能量传输的肖特基二极管，工艺及结构简单，更易于集成和工艺控制。

实施例二

本实施例在上述实施例的基础上，提供一种用于无线能量传输的肖特基二极管的制备方法，该制备方法用于制造上述任一实施例的用于无线能量传输的肖特基二极管。请参见图2、图2-1～图2-11，图2为本发明实施例提供的一种用于无线能量传输的肖特基二极管的制备方法的流程示意图，图2-1～图2-11为本发明实施例提供的一种用于无线能量传输的肖特基二极管的制备方法的工艺示意图。

具体地，如图2所示，该制备方法包括如下步骤：

s201，制备厚度为300～400μm的单晶si衬底；

如图2-1所示，可以制备厚度为300～400μm的单晶si衬底(001)。其中，300～400μm是肖特基器件制备中使用晶圆的一个典型厚度规格。

s202，在275℃～325℃温度下，利用分子束外延方式在所述衬底的一侧表面上，生长厚度为50nm的第一ge层；

如图2-2所示，可以在275℃～325℃的第一温度下，利用分子束外延方式在所述衬底(001)的上表面上，生长第一厚度为50nm的第一ge层(002)。

考虑生长的第一ge层(002)很薄，分子束外延是最合适的生长方式。

275℃～325℃温度为预设的低温温度，这个温度可以将因为晶格失配造成的位错密度尽量限制在50nm这个厚度的缓冲层内。50nm这个厚度适合在作为低温ge层的第一ge层(002)的上表面，继续生长高温ge层。

s203，在500℃～600℃温度下，利用分子束外延方式在所述第一ge层的表面上，生长厚度为900nm～950nm的第二ge层；

如图2-3所示，可以在500℃～600℃的第二温度下，利用分子束外延方式在所述第一ge层(002)的表面上，淀积第二厚度厚度为900nm～950nm的第二ge层(0031)。

500℃～600℃温度为预设的高温温度，在高温温度下生长ge层可以促进结构结晶质量的提高。

发明人在应变ge用于无线能量传输的肖特基二极管仿真时发现：如果要满足肖特基二极管的基本性能要求，所述第二ge层厚度需要大于800nm，但是太厚的第二ge层又会降低器件速度，经过折中考虑，所述第二ge层的厚度确定为900nm～950nm，该厚度可以使所述第二ge层在后续的退火处理中，保证不增加rms(rate-monotonicscheduling，调度算法)值。

s204，在750℃～850℃温度的氢气环境下，将所述第二ge层进行10～15分钟的热退火处理，得到张应变ge层；

为了提高晶格质量，可以在一个固定的温度或循环变化的温度中，进行热退火处理。在本发明实施例中，热退火使用的第一预设环境中的温度可以选取750℃～850℃。所述第一预设环境中的气体氛围可以选取h2(氢)气，这是因为h2可以加快ge原子在表面的扩散速度，且h2气比惰性气体成本低，在热解过程中不会引入别的杂质。在上述第一预设环境下，可以将所述第二ge层(0031)进行10～15分钟的热退火处理，将所述第二ge层(0031)变化为张应变ge层(003)。

s205，自然冷却所述衬底、所述第一ge层和所述张应变ge层，并用稀氢氟酸和去离子水循环清洗所述张应变ge层；

在本发明实施例中，可以使用稀氢氟酸(hf(dhf):h2o＝1:1.5)和去离子水(dl)循环清洗所述张应变ge层，以去除所述张应变ge层表面的油污和氧化层，获得清洁的表面，便于后续在所述张应变ge层上生长第一n型ge1-xsnx层。

当然，本发明实施例中，清洁所述张应变ge层的方式不限于以上所述。

s206，在第二预设环境下，确定纯度为99.9999％的ge作为ge源，纯度为99.9999％的sn作为sn源，利用分子束外延方式，在所述张应变ge层上生长厚度为1000～1100nm的所述第一n型ge1-xsnx层，其中，0.08<x<0.1，所述第二预设环境为：90～100℃的温度及3×10^-10torr的基准压力环境；

如图2-4所示，可以在90～100℃的温度及3×10^-10torr的基准压力环境下，确定纯度为99.9999％的ge作为ge源，纯度为99.9999％的sn作为sn源，然后利用分子束外延等方式，在s205得到的张应变ge层(003)上生长厚度为1000nm～1100nm的第一n型ge1-xsnx层(0041)。

本领域技术人员可以理解是是，由于0.08<x<0.1，该步骤通过形成ge1-xsnx合金实现了ge带隙类型转化，得到了改性ge。

s207，在400～500℃温度下，向所述第一n型ge1-xsnx层注入磷离子，形成掺杂浓度为1.8×10¹⁶～2×10¹⁶cm^-3的第二n型ge1-xsnx层，其中，所述磷离子的注入时间为200s，注入能量30kev；

通过上述步骤，可以将图2-4中的第一n型ge1-xsnx层(0041)，变化为第二n型ge1-xsnx层(004)，参见图2-5中004所示。

所述第二n型ge1-xsnx层(004)属于轻掺杂，可以用于产生肖特基接触，进而在后续基于肖特基接触形成第二电极a2。

s208，在所述第二n型ge1-xsnx层的表面涂抹第一光刻胶，并曝光所述第二n型ge1-xsnx层表面第一区域的所述第一光刻胶；

可以理解的是，对一区域涂抹光刻胶可以对该区域进行保护。在本发明实施例中，如图2-5所示，首先在所述第二n型ge1-xsnx层(004)的整个表面涂抹第一光刻胶(005)，然后曝光所述第二n型ge1-xsnx层(004)表面第一区域的所述第一光刻胶(005)，使得所述第一区域(如图2-6所示)失去光刻胶的保护，以便于后续仅对所述第一区域进行离子注入操作。

其中，所述第一区域为所述第二n型ge1-xsnx层的表面上，小于所述第二n型ge1-xsnx层的表面积的一个区域，如图2-6所示，所述第一区域可以为所述第二n型ge1-xsnx层表面左侧的一个区域。

s209，利用离子注入工艺向所述第一区域注入磷离子，形成n型掺杂浓度为10²⁰cm^-3的第三n型ge1-xsnx层；

如图2-6所示，可以利用离子注入工艺向所述第一区域注入磷离子，形成n型掺杂浓度为10²⁰cm^-3的第三n型ge1-xsnx层(006)。

所述第三n型ge1-xsnx层(006)的厚度小于所述第二n型ge1-xsnx层(004)的厚度。所述第三n型ge1-xsnx层(006)的表面与所述第二n型ge1-xsnx层(004)的表面平齐。

所述第三n型ge1-xsnx层(006)为重掺杂，可以用于产生欧姆接触，进而基于欧姆接触形成第一电极a1。

关于利用离子注入工艺向所述第一区域注入p离子的具体过程在此不进行详细描述。

s210，去除所述第二n型ge1-xsnx层表面的所述第一光刻胶，并在600℃～1000℃温度的氢气环境中加热所述衬底、所述第一ge层、所述张应变ge层、所述第二n型ge1-xsnx层和所述第三n型ge1-xsnx层；

如图2-7所示，可以首先去去除所述第二n型ge1-xsnx层(004)表面的所述第一光刻胶(005)，然后在600℃～1000℃温度的h2气环境中加热所述001、002-004及006层。

在600℃～1000℃的h2环境中加热所述衬底和各个层，可以修复离子注入造成的表面晶体损伤。

s211，利用电子束蒸发方式，在包含所述第三n型ge1-xsnx层的第二n型ge1-xsnx层表面，淀积厚度为10～20nm的al(铝)层，并利用刻蚀工艺刻蚀所述第二n型ge1-xsnx层表面上，除所述第一区域之外的其它区域的所述al层，将剩余的所述al层作为所述第一电极；

可以在图2-7的包含所述第三n型ge1-xsnx层(006)的第二n型ge1-xsnx层(004)表面上，利用电子束蒸发方式，淀积厚度为10～20nm的al层(007)，形成欧姆接触；并利用刻蚀工艺刻蚀所述第二n型ge1-xsnx层(004)表面上，除所述第一区域之外的其它区域的所述al层(007)，将剩余的所述al层(007)(如图2-8所示)作为第一电极a1。

在肖特基二极管的制备过程中，淀积的金属可以选择铝、金、钼、镍和钛等，考虑到形成肖特基接触所需材料的功函数和制造成本，在本发明实施例中，所述金属确定为铝。而对于金属的淀积方式来说，由于电子束蒸发方式最常用，效率也最高，因此，本发明实施例采用电子束蒸发方式。

在本发明实施例中，刻蚀工艺可以采用干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺等。

s212，在所述第一电极和所述第二n型ge1-xsnx层表面上涂抹第二光刻胶，并曝光所述第二区域的所述第二光刻胶；

可以将图2-8的所述第一电极和所述第二n型ge1-xsnx层(004)表面上涂抹第二光刻胶，并曝光第二区域的第二光刻胶，得到的第二光刻胶如图2-9的008所示。

其中，所述第二区域为所述第二n型ge1-xsnx层表面上，小于所述第二n型ge1-xsnx层的表面积的一个区域，如图2-9所示，所述第二区域可以为所述第二n型ge1-xsnx层表面右侧的一个区域。所述第二区域的面积可以与所述第一区域的面积相同。所述第二区域为所述预设肖特基接触区域。

s213，在剩余所述第二光刻胶和所述第二n型ge1-xsnx层表面上，利用电子束蒸发方式淀积10～20nm厚的w(钨)层；

如图2-10所示，可以在图2-9的剩余的所述第二光刻胶(008)和所述第二n型ge1-xsnx层(004)表面上，利用电子束蒸发方式淀积10～20nm厚的w层(009)，形成肖特基接触。

s214，在包含所述第三n型ge1-xsnx层的所述第二n型ge1-xsnx层表面上，剥离除所述第二区域之外的其它区域的所述第二光刻胶及所述第二光刻胶上的所述w层，将剩余所述w层作为所述第二电极。

如图2-11所示，可以将2-10中包含所述第三n型ge1-xsnx层(006)的所述第二n型ge1-xsnx层(004)表面上，除所述第二区域之外的其它区域的所述第二光刻胶(008)及所述第二光刻胶上的所述w层(009)进行剥离，将所述第二n型ge1-xsnx层(004)剩余的w层(009)作为第二电极a2。其中，图2-11中a1和a2上方的竖线和圈圈代表导线。可以理解的是，图2-11即为所生成的肖特基二极管。

由于欧姆接触需要重掺杂，肖特基接触需要轻掺杂，在本发明实施例中，电极a1和a2的位置是为了满足掺杂浓度要求与肖特基器件的功能需求而设计的。

需要说明的是，基于欧姆接触形成的第一电极a1与基于肖特基接触形成的第二电极a2可以位于同一面，相比第一电极a1和第二电极a2分别位于上下面的肖特基二极管，本发明实施例提供的用于无线能量传输的肖特基二极管采用的是平面工艺。

本发明通过ge带隙类型转变形成第二n型ge1-xsnx层，所述第二n型ge1-xsnx层的材料为弛豫gesn材料，该材料的电子迁移率可以比纯ge材料的电子迁移率提高一倍，用该材料制备微波无线能量传输系统内的肖特基二极管，可以提升微波无线能量传输系统的转换效率；

本发明中直接带隙弛豫gesn半导体与si工艺兼容，且步骤简单，具有明显的成本优势；

本发明采用了平面工艺制造方法制造用于无线能量传输的肖特基二极管，工艺及结构简单，更易于集成和工艺控制。

另外，本发明实施例还提供了一种用于无线能量传输的整流电路，所述整流电路包括实施例1所述的ge肖特基二极管，所述肖特基二极管可以按照实施例2所述方法制备。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。