基于全HVPE工艺生长的GaN结势垒肖特基二极管及其制备方法

本发明涉及半导体材料，尤其涉及一种基于全hvpe工艺生长的gan结势垒肖特基二极管及其制备方法。

背景技术：

1、氮化镓(gan)是一种重要的第三代半导体材料，因具备禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优越性能，在固态光源和电力电子、微波射频器件等领域，具有非常好的应用前景和市场潜在价值。

2、垂直gan二极管，因其耐高压、耐高温和体积小等优点，引起了人们高度重视并广泛应用。常见的垂直gan二极管有肖特基二极管(sbd)，pn二极管(pnd)以及结势垒肖特基二极管(jbs)。结势垒肖特基二极管(jbs)结合了肖特基二极管和pn二极管的优点，具有高的击穿电压和低的反向漏电，是gan功率器件中不可缺少的元器件之一。传统的gan结势垒肖特基二极管(jbs)都是在基于金属有机化学气相沉积(mocvd)生长的外延层(漂移层)上制备的器件，该方法由于精确的掺杂精度和对厚度控制等优势，成为gan外延层生长中最受欢迎的方法之一，也是企业生产的不二选择。但是，受限于技术，该方法存在一些明显的问题：

3、(1)mocvd方法在外延生长时很容易在外延层的带隙内引入与深能级相关的无意掺入的碳原子。

4、(2)mocvd生长速度慢，无法生长较厚(>20um)的gan外延层，因此无法满足对耐压高要求有要求的器件制备。

5、(3)mocvd工艺生长gan过程中使用有机镓源三甲基镓(tmga)或三乙基镓(tega)作为镓的前驱体，生产成本高，不利于企业级大规模生产。

6、现有技术采用氢化物气相外延法(hvpe)制备外延层还存在载流子浓度难以降下来的问题，其对载流子的控制不如mocvd，因此实际应用中还较难采用全hvpe制备外延层。

7、有鉴于此，有必要设计一种改进的基于全hvpe工艺生长的gan结势垒肖特基二极管及其制备方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于全hvpe工艺生长的gan结势垒肖特基二极管及其制备方法，外延层中c杂质含量显著降低，有效提高材料的载流子迁移率；且生长速率快，其理论生长速度>100um/h，适合gan厚膜的生长；成本低，适合于工业上大规模生产。

2、为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于全hvpe工艺生长的gan结势垒肖特基二极管的制备方法，包括以下步骤：

3、s1.采用hvpe工艺，在双抛的gan单晶自支撑衬底上生长一层n型gan外延层；所述hvpe工艺包括：以液态金属镓作为ga源，氨气为n源，sih4为n型掺杂源，利用惰性气体将含hcl气体流过液态金属镓，在600-900℃下产生gacl；利用惰性气体将n型掺杂源输送到hvpe反应室中，反应室温度为300-1000℃，分解成si和h；接着gacl在900-1200℃下与nh3和si反应，得到掺杂有si的gan薄膜沉积于所述gan单晶自支撑衬底上；

4、s2.对步骤s1得到的n型gan外延层进行光刻、曝光、显影，然后进行离子注入，形成重掺杂的p型区；

5、s3.去除光刻胶，在n型gan外延层表面沉积一层sio2帽层，然后对注入的离子进行激活处理，再将所述sio2帽层去除；

6、s4.对步骤s3得到的器件进行欧姆电极和肖特基电极制备，得到所述gan结势垒肖特基二极管。

7、进一步的，步骤s1中，所述n型gan外延层的厚度为30-50μm，所述n型gan外延层的载流子浓度控制在0.5e16-2e16cm-3之间；所述双抛的gan单晶自支撑衬底的载流子浓度为2e18cm-3。

8、进一步的，步骤s1中，所述gan薄膜的生长速度控制在5-20μm/h，优选为15μm/h。

9、进一步的，所述双抛的gan单晶自支撑衬底的生长方式为在异质蓝宝石衬底上采用hvpe快速生长800um的块状gan单晶，随后采用激光剥离的方式从蓝宝石衬底上将其剥离，最后通过研磨抛光，将衬底减薄至500um。

10、进一步的，步骤s2中，以光刻胶做阻挡层，在所述n型gan外延层的表面形成所需要的形状，即形成若干个阻挡区域，且每个阻挡区域的间距相等。

11、进一步的，步骤s2中，注入的所述离子为mg离子，且在光刻胶未覆盖的p型区注入，注入深度为400nm。

12、进一步的，所述离子注入包括两个阶段，第一阶段的注入能量为400kev，注入dose量为1×1015cm-3；第二节阶段的注入能量为50kev，注入dose量为1×1015cm-3，注入角度为7°。

13、进一步的，步骤s3中，所述激活处理包括：在n2氛围下1200℃快速退火30s，随后800℃下退火30min。完成该步骤后，使用boe溶液将表面sio2帽层去除。

14、进一步的，所述去除光刻胶为干法去胶，处理方法为o2 plasma，所用气体为o2，气体流速为100sccm，功率为500w，偏压功率为100w，处理时间为10min。

15、进一步的，步骤s4中，所述欧姆电极采用的金属依次为ti、al、ni和au，其厚度分别为20nm、100nm、25nm和40nm，并通过800℃快速热退火1min；所述肖特基电极是通过金属热蒸发镀膜仪依次镀ni和au金属薄膜作器件的肖特基电极，其厚度分别为25nm和40nm。

16、本发明的有益效果是：

17、本发明提供的基于全hvpe工艺生长的gan结势垒肖特基二极管及其制备方法，通过严格控制外延层生长的温度，同时进行离子注入，实现了高性能gan结势垒肖特基二极管的制备。相比较于传统的mocvd工艺，hvpe工艺生长过程中外延层中c杂质含量低，有效提高材料的载流子迁移率；且生长速率快，其理论生长速度>100um/h，适合gan厚膜的生长；成本低，适合于工业上大规模生产。

技术特征：

1.一种基于全hvpe工艺生长的gan结势垒肖特基二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于全hvpe工艺生长的gan结势垒肖特基二极管的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述n型gan外延层的厚度为30-50μm，所述n型gan外延层的载流子浓度控制在0.5e16-2e16 cm-3之间；所述双抛的gan单晶自支撑衬底的载流子浓度为2e18cm-3。

3.根据权利要求1所述的基于全hvpe工艺生长的gan结势垒肖特基二极管的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述gan薄膜的生长速度控制在5-20μm/h，优选为15μm/h。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于全hvpe工艺生长的gan结势垒肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述双抛的gan单晶自支撑衬底的生长方式为在异质蓝宝石衬底上采用hvpe快速生长800um的块状gan单晶，随后采用激光剥离的方式从蓝宝石衬底上将其剥离，最后通过研磨抛光，将衬底减薄至500um。

5.根据权利要求1所述的基于全hvpe工艺生长的gan结势垒肖特基二极管的制备方法，其特征在于，步骤s2中，以光刻胶做阻挡层，在所述n型gan外延层的表面形成若干个阻挡区域，且每个阻挡区域的间距相等。

6.根据权利要求1所述的基于全hvpe工艺生长的gan结势垒肖特基二极管的制备方法，其特征在于，步骤s2中，注入的所述离子为mg离子，且在光刻胶未覆盖的p型区注入，注入深度为400nm。

7.根据权利要求6所述的基于全hvpe工艺生长的gan结势垒肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述离子注入包括两个阶段，第一阶段的注入能量为400kev，注入dose量为1×1015cm-3；第二节阶段的注入能量为50kev，注入dose量为1×1015cm-3，注入角度为7°。

8.根据权利要求1所述的基于全hvpe工艺生长的gan结势垒肖特基二极管的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述激活处理包括：在n2氛围下1200℃快速退火30s，随后800℃下退火30min。完成该步骤后，使用boe溶液将表面sio2帽层去除。

9.根据权利要求1所述的基于全hvpe工艺生长的gan结势垒肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述去除光刻胶为干法去胶，处理方法为o2plasma，所用气体为o2，气体流速为100sccm，功率为500w，偏压功率为100w，处理时间为10min。

10.根据权利要求1所述的基于全hvpe工艺生长的gan结势垒肖特基二极管的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述欧姆电极采用的金属依次为ti、al、ni和au，其厚度分别为20nm、100nm、25nm和40nm，并通过800℃快速热退火1min；所述肖特基电极是通过金属热蒸发镀膜仪依次镀ni和au金属薄膜作器件的肖特基电极，其厚度分别为25nm和40nm。

技术总结
本发明提供了一种基于全HVPE工艺生长的GaN结势垒肖特基二极管及其制备方法，包括：采用HVPE工艺，以液态金属镓作为Ga源，氨气为N源，SiH<subgt;4</subgt;为n型掺杂源，在双抛的GaN单晶自支撑衬底上生长一层n型GaN外延层；对n型GaN外延层进行光刻、曝光、显影，然后进行离子注入，形成重掺杂的P型区；去除光刻胶，在n型GaN外延层表面沉积一层SiO<subgt;2</subgt;帽层，然后对注入的离子进行激活处理，再将SiO<subgt;2</subgt;帽层去除；最后进行欧姆电极和肖特基电极制备，得到GaN结势垒肖特基二极管。本发明外延层中C杂质含量显著降低，有效提高材料的载流子迁移率；且生长速率快，适合GaN厚膜的生长；成本低，适合于工业上大规模生产。

技术研发人员：刘新科,邹苹,马正蓊,熊信柏,陈少军,黄双武,贺威,黎晓华
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12