基于全HVPE工艺生长的GaN肖特基二极管及其制备方法

基于全hvpe工艺生长的gan肖特基二极管及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体材料技术领域，尤其涉及一种基于全hvpe工艺生长的gan肖特基二极管及其制备方法。


背景技术：

2.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。
3.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：
4.(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。
5.(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。
6.(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。
7.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。
8.有鉴于此，有必要设计一种改进的基于全hvpe工艺生长的gan肖特基二极管及其制备方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

9.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。
10.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肖特基二极管的制备方法，包括以下步骤：
11.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；
12.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，在n型gan外延层两端形成两个重掺杂的p型区；
13.s3.去除光刻胶，然后进行欧姆电极和肖特基电极制备，得到所述gan肖特基二极管。
14.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
。
15.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。
16.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。
17.进一步的，步骤s2中，以光刻胶做阻挡层，在所述n型gan外延层的表面两端及中间形成三个阻挡区域，且中间阻挡区域的宽度大于两端阻挡区域。
18.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500nm。
19.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
×
10
15
cm-3
；第二节阶段的注入能量为50kev，注入dose量为1
×
10
15
cm-3
，注入角度为7
°
。
20.进一步的，步骤s2中，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。
21.进一步的，去胶完成后，对器件进行酸洗，所用溶液为稀盐酸。
22.进一步的，步骤s3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。
23.本发明的有益效果是：
24.本发明提供的基于全hvpe工艺生长的gan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。
附图说明
25.图1为双抛型gan自支撑衬底的结构示意图。
26.图2为n型gan外延层制备结构示意图。
27.图3为光刻后目标器件的结构示意图。
28.图4为mg离子注入后目标器件结构示意图。
29.图5为o
2 plasma处理过程示意图。
30.图6为o
2 plasma去胶后目标器件的结构示意图。
31.图7为器件刻蚀工艺流程图。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在具体实施例中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
33.另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
34.本发明提供的基于全hvpe工艺生长的gan肖特基二极管的制备方法具体如下：
35.如图1所示，器件衬底为双抛的gan单晶自支撑衬底，其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，原因是底部与蓝宝石接触的部分处在较大的晶格失配。所述衬底的载流子浓度大于1e18cm-3
,本发明采用的衬底的载流子浓度为2e18cm-3
。通常垂直gan二极管衬底的的厚度为150～400um，本文衬底的厚度为300um(外延后二次减薄)。
36.随后，在的gan自支撑衬底上面生长一层n型gan外延层，所采用的生长设备为hvpe，其中，以液态金属镓作为ga源，氨气为n源，其反应过程经历以下两个步骤：
37.ga(l)+hcl(g)
→
gacl(g)+h2(g)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0038][0039]
首先，液态金属镓与hcl(g)反应生成中间反应物gacl，该过程中，利用惰性气体将含hcl气体流过金属ga，在600-900℃下产生gacl作为镓源的中间反应物，优选反应温度为850
±
30℃(根据检测环境作出实时调整)。然后输送到所述hvpe反应室。惰性气体的流量通常为100-1000sccm，含hcl气体的流量一般为50-500sccm。
[0040]
其次，利用惰性气体将n型掺杂源输送到hvpe反应室中。一般地，n型掺杂源为sih4。sih4在高温下会分解形成n型参杂剂si和废气h2，使得hvpe反应室内充满si参杂剂。该过程中控制hvpe反应室的温度在300-1000℃，sih4在300℃开始分解，600℃时分解加速，1000℃时完全分解成si和h，实际温度根据对生长速率的检测和载流子浓度的需求所决定。sih4气体的流量一般为100-300sccm。
[0041]
最后，中间反应物gacl与nh3反应生成gan，反应温度在900-1200℃之间，优选温度为1050
±
30℃(由于hvpe反应腔为石英管，温度过高会热解出si，影响载流子浓度)。根据厚度监测系统，实时反馈同质外延氮化镓薄膜的生长速度和厚度，调节镓源、n型掺杂源和n源流量，使同质外延氮化镓薄膜的生长速度控制在5-20μm/h，实际生长速率为15μm/h。n-gan外延层的载流子浓度控制在0.5e16-2e16cm-3之间，本文为1e16cm-3，厚度为40um。所述gan外延层后结构如图2所示。
[0042]
如此操作，通过温度梯度的严格控制，能够实现外延层hvpe法生长，且厚度可控。
[0043]
完成上述步骤后，对目标器件进行光刻、曝光、显影，将所需要的图案留在外延层上，随后以光刻胶做阻挡层，在外延层形成所需要的形状。光刻的详细步骤为：匀胶，烘胶，曝光，显影。匀胶时转速为5000r/min，烘胶温度是100℃，时间为3min。所形成光刻胶厚度约为1um。曝光时间10s，显影时间20s。其结构如图3所示。
[0044]
完成上述光刻步骤后，对器件进行离子注入，其目的是在电极边缘形成p-gan终端，抬高电势，抑制峰值电场集中，提高器件的耐压。该步骤所使用的注入离子为mg离子，分两个阶段注入，第一阶段注入能量为400kev，第二节阶段的能量为100kev，注入dose量都是1
×
1015cm-3，注入角度为7
°
。离子注入的深度度为500nm，分两个阶段注入是为了使注入均匀。注入后器件的结构如图4所示。
[0045]
完成上述离子注入步骤后，对目标器件进行去胶处理。由于在离子注入过程中使用光刻胶做阻挡层，在高能he离子束的轰击下，光刻胶发生变性，故采取干法去胶的方式。处理方法为o
2 plasma，如图5所示。所用设备为icp，所用气体为o2，气体流速为100sccm，icp源功率为500w，偏压功率为100w，处理时间为10min。去胶完成后的器件结构如图6所示。去胶完成后，对器件进行酸洗，所用溶液为稀盐酸(hcl：h2o＝1：10)其主要目的是去除o
2 plasma过程产生的杂质，对器件进行清洁。
[0046]
完成上述所有步骤后，对目标器件进行欧姆电极(ohmic)和肖特基电极(anode)制备。一、欧姆电极：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。如图7所示。
[0047]
综上所述，本发明提供的基于全hvpe工艺生长的gan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。
[0048]
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精神和范围。