一种GaN基肖特基二极管的制作方法

一种gan基肖特基二极管
技术领域
1.本实用新型涉及电子元器件制造技术领域，具体涉及一种gan基肖特基二极管。


背景技术：

2.肖特基二极管由于具有低开启电压、反向快速恢复的特性，在电源、驱动电路等多个领域具有广泛的应用。对肖特基器件的应用需求包含低导通电阻、高击穿电压。随着传统半导体材料si工艺的成熟，基于si材料的半导体器件已达到理论极限。gan材料由于具有高的临界击穿电场(3.3mv/cm)、高迁移率(1000cm2/(v
·
s))等特性，材料的理论极限远超过si材料，应用于功率器件可获得更高的击穿电压、更低的导通电阻。因此发展gan基的肖特基二极管具有巨大的应用前景。
3.迄今为止，gan sbd（肖特基二极管）制作的常用方法就是在顶层氮化镓上分别淀积欧姆接触的阴极和肖特基接触的阳极，通过阳极电压控制二维电子气导通与否控制sbd的开关，如图1所示。该结构中gan沟道层击穿场强有限，其击穿电压不如用algan层作为其导电沟道的器件。直接采用algan合金沟道的sbd器件由于合金无序散射的影响，导致algan/gan异质结构迁移率大幅降低，极大限制了gan肖特基二极管在电力电子领域中的应用。上述技术问题，是本领域技术人员致力于解决的事情。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种gan基肖特基二极管。
5.为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种gan基肖特基二极管，包括由下至上依次层叠设置的硅衬底、gan沟道层、algan势垒层及si3n4表面钝化层，还包括：
6.阳极，呈t型设置在si3n4表面钝化层上，且其底部依次穿过si3n4表面钝化层、algan势垒层后到达gan沟道层的表面，所述阳极与所述gan沟道层形成肖特基接触；
7.阴极，设置在si3n4表面钝化层上，且围设在所述阳极的外周，所述阴极与所述阳极之间存在间距，所述阴极的底部依次穿过表面钝化层、algan势垒层后到达gan沟道层内部，所述阴极与所述gan沟道层形成欧姆接触；
8.氟离子结构，位于所述gan沟道层内，且位于gan沟道层中的二维电子气的下方，所述二维电子气位于gan沟道层与algan势垒层的接面处。
9.作为一种具体的实施方式，氟离子结构通过离子注入法注入到gan沟道层内，其注入能量为80kev。
10.作为一种具体的实施方式，所述gan沟道层和algan势垒层均通过金属有机化学气相沉积法制作而成。
11.作为一种具体的实施方式，氟离子结构中离子注入的深度为距离gan沟道层与algan势垒层的接面20-25nm。
12.作为一种具体的实施方式，所述si3n4表面钝化层是采用了lpcvd法在algan势垒层沉积而成。
13.作为一种具体的实施方式，在gan沟道层与algan势垒层间还生长有aln中间过渡层，所述aln中间过渡层的层厚为1nm。
14.作为一种具体的实施方式，所述algan 势垒层中al组分的含量为25
±
1%。
15.作为一种具体的实施方式，所述硅衬底与gan沟道层间还沉积有gan缓冲层，所述gan缓冲层采用了pecvd法沉积在硅衬底的上表面。
16.作为一种具体的实施方式，所述阴极，其采用的金属材料为ti/al/ni/au，金属厚度为20/100/40/50nm，所述阳极，其采用的金属材料为ni/au，金属厚度为50/150nm。
17.由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：
18.1）本实用新型的gan基肖特基二极管，其阴极依次穿过表面钝化层、algan势垒层后到达gan沟道层内部，该设置方式能够提高gan沟道层中二维电子气的浓度；
19.2）本实用新型的gan基肖特基二极管，其通过离子注入的方式在gan沟道层中注入氟离子，避免采用刻蚀工艺所带来的表面态或缺陷，这些表面态或缺陷会增加器件的表面漏电现象，且通过离子注入进行隔离，不存在肖特基金属与二维电子气的接触问题，避免了阳极漏电的情况发生；
20.3）本实用新型的凹槽型gan基肖特基二极管，阳极依次穿过表面钝化层、algan势垒层后与gan沟道层处的二维电子气直接接触，可降低开启电压，提高正向导通电流。
附图说明
21.附图1为现有gan肖特基二极管的结构示意图；
22.附图2实施例1中的gan基肖特基二极管的结构示意图；
23.附图3为实施例2中的gan基肖特基二极管的结构示意图；
24.附图4为实施例1中gan基肖特基二极管制备过程示意图；
25.其中：1、硅衬底；2、gan沟道层；3、algan势垒层；4、表面钝化层；5、阳极；6、阴极；7、gan缓冲层；8、aln中间过渡层。
具体实施方式
26.下面结合附图及具体实施例来对本实用新型的技术方案作进一步的阐述。
27.实施例1
28.本例中提供一种gan基肖特基二极管，参见图2所示，包括由下至上依次层叠设置的硅衬底1、gan沟道层2、algan势垒层3及si3n4表面钝化层4，还包括：
29.阳极5，呈t型设置在si3n4表面钝化层4上，且其底部依次穿过si3n4表面钝化层4、algan势垒层3后到达gan沟道层2的表面，阳极5与gan沟道层2形成肖特基接触；
30.阴极6，设置在si3n4表面钝化层4上，且围设在阳极5的外周，阴极6与阳极5之间存在间距，阴极6的底部依次穿过表面钝化层4、algan势垒层3后到达gan沟道层2内部，阴极6与gan沟道层2形成欧姆接触；
31.氟离子结构，位于gan沟道层2内，且位于gan沟道层2中的二维电子气的下方，二维电子气位于gan沟道层2与algan势垒层3的接面处。
32.这里，硅衬底1选用的是晶向为《111》的抛光衬底1片，gan沟道层2和algan势垒层3均通过金属有机化学气相沉积法制作而成。
33.氟离子结构通过离子注入法注入到gan沟道层2内，其注入能量为80kev，其注入深度为距离gan沟道层2与algan势垒层3的接面20-25nm。通过设置氟离子结构,能够避免采用刻蚀工艺所带来的表面态或缺陷，这些表面态或缺陷会增加器件的表面漏电现象，且通过离子注入进行隔离，不存在肖特基金属与二维电子气的接触问题，避免了阳极漏电的情况发生。
34.另外，阳极5采用了t型，在金属沉积过程中，能够确保刻蚀后的凹槽内被填充满。
35.这里，si3n4表面钝化层4采用了lpcvd法沉积在algan势垒层3的上表面。这里的gan 沟道层2采用了厚度为300nm的非故意掺杂gan 沟道层2，algan 势垒层3的厚度为25nm，其中al组分的含量为25
±
1%。阴极6采用了金属材料ti/al/ni/au，金属厚度为20/100/40/50nm，阳极5采用了金属材料ni/au，金属厚度为50/150nm。
36.本例中，还提供了上述gan基肖特基二极管的制备方法，参见图4所示，包括以下步骤：
37.1）在si衬底1上采用金属有机化学气相沉积法（mocvd）依次外延生长gan、algan材料，以形成gan沟道层2和algan势垒层3；
38.2）有机清洗，对步骤1）中的样品先使用丙酮溶液进行超声清洗2分钟，之后再将样品放入乙醇溶液中超声3分钟用以去除样品表面残留的丙酮溶液，之后再用稀释的氟化氢溶液（hf：h2o=1:25）浸泡样品1分钟来去除表面氧化物和无机污染物，最后用流动的去离子水冲干净，并用氮气枪吹干；
39.3）表面钝化，采用低压化学气相淀积法（lpcvd）在algan势垒层3的上表面沉积si3n4，形成表面钝化层4；
40.4）离子注入，对步骤3）处理后的样品进行离子注入隔离，具体采用了氟离子注入，注入能量为80kev，注入深度为距离gan沟道层2与algan势垒层3的接面20-25nm；
41.5）制作阴极6，光刻显影出阴极6窗口，进行刻蚀，使用电子束蒸镀依次在gan沟道层2表面沉积厚20nm的ti金属、厚100nm的al金属、厚40nm的ni金属及厚50nm的au金属，之后将样品放在850℃高温下的氮气环境中快速退火40s形成欧姆接触；
42.6）肖特基凹槽刻蚀，使用电感耦合等离子体 ( icp) 干法刻蚀去除肖特基接触区的 algan 势垒层3，使肖特基金属直接与2deg 接触，使用的气体为cl2/bcl3；
43.7）制作阳极5，肖特基金属蒸发，采用电子束蒸发设备在gan沟道层2表面沉积厚50nm的ni、厚150nm的au双层金属，之后置于450℃的氮气氛围中快速退火5min。
44.实施例2
45.本例与实施例1 的区别在于，本例中的gan基肖特基二极管，参见图3所示，包括由下至上依次层叠设置的硅衬底1、gan缓冲层7、gan沟道层2、aln中间过渡层8、algan势垒层3及si3n4表面钝化层4。gan缓冲层7的厚度为2
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m、aln 中间过渡层8的厚度为1nm。
46.其制备方法与实施例1的区别在于，步骤1）的过程不相同，本例中，在si衬底1上采用（mocvd法外延生长gan材料以形成gan缓冲层7，而后再在gan缓冲层7上依次外延生长gan、aln、algan材料，以形成gan沟道层2、aln中间过渡层8、algan势垒层3，其余步骤与实施例1相同。
47.上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。
凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。