一种基于离子注入的GaN基JBS二极管及其制备方法

本发明属于半导体，具体涉及一种基于离子注入的gan基jbs二极管及其制备方法。

背景技术：

1、氮化镓(gan)半导体材料具有禁带宽度大、击穿电压高、电子迁移率高、抗辐照能力强等诸多优点，可用于高频、高温、辐照等恶劣环境下，是制备jbs二极管的理想材料。gan基jbs二极管同时具有肖特基二极管(sbd)与pn结二极管的优点，具有低开启电压、低漏电、高耐压、快速开关等特性，具有广泛的应用前景。但是目前离子注入实现p型掺杂存在激活效率低、表面形貌退化的问题，使得gan基jbs二极管的导通损耗较高，且对反向耐压的提升有限，严重影响电力电子应用的效率。

2、传统gan基jbs二极管采用离子注入或二次外延的方法实现p型掺杂，其剖面结构图如图1所示。但是，在ⅲ族氮化物中通过离子注入实现p型材料仍是一大难题，p型gan中mg-h复合体的钝化效应、受主激活问题等导致mg离子的激活能较高，导致激活率很低，同时gan材料在超过900℃高温激活时会分解。二次外延实现p型掺杂的方法同样存在二次外延界面缺陷密度高、激活率低等问题，导致在整流和开关应用中受限。因此，制备高耐压、低导通损耗的gan基jbs二极管对于推动其进一步的应用具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的旨在针对上述现有技术存在的难题，提供一种基于离子注入的gan基jbs二极管及其制备方法，通过in催化提高mg离子p型掺杂的激活效率，从而实现高耐压、低导通损耗的gan基jbs二极管。

2、为实现上述目的，本发明基于离子注入的gan基jbs二极管，自下而上包括衬底，缓冲层，n+-gan层，n--gan漂移层，mg离子注入区域，阴极，钝化层，阳极，在n--gan漂移层上外延n--ingan漂移层，mg离子注入区域设于n--ingan漂移层之中，钝化层设于n--ingan漂移层外围，阳极设于n--ingan漂移层和钝化层之上。

3、所述衬底可采用厚度为300μm～1000μm的蓝宝石衬底、厚度为600μm～1000μm的硅衬底、厚度为300μm～600μm的碳化硅衬底或厚度为300μm～1000μm的氮化镓衬底。

4、作为优选，所述缓冲层采用厚度为500nm～3μm的gan材料或厚度为1μm～3μm的algan渐变缓冲层。

5、作为优选，所述n+-gan层的掺杂浓度为1×1019cm-3～5×1019cm-3，厚度为500nm～2μm。

6、作为优选，所述n--gan漂移层的掺杂浓度为1×1016cm-3～10×1016cm-3，厚度为1μm～10μm。

7、作为优选，所述n--ingan漂移层的in组分为5％～20％；所述n--ingan漂移层5的掺杂浓度为1×1016cm-3～10×1016cm-3，厚度为20nm～500nm。

8、作为优选，所述mg离子注入区域为多个p-(in)gan结构，各p-(in)gan结构之间间距为0.1～2μm，宽度为0.5～2μm；所述mg离子注入区域(7)的注入浓度为1×1014cm-2～5×1014cm-2，注入能量为20kev～60kev。

9、作为优选，所述阴极位于n+-gan层之上，且与n+-gan层之间形成欧姆接触；所述阴极8由钛、铝、镍和金制成，厚度为220～380nm。

10、作为优选，所述阳极位于n--ingan漂移层、mg离子注入区域以及紧邻的钝化层上，与n--ingan漂移层形成肖特基接触，与所述p-(in)gan结构形成欧姆接触；所述阳极由层叠的厚度为20～200nm的镍和厚度为50～200nm的金制成。

11、为实现上述目的，本发明还提供一种基于离子注入的gan基jbs二极管的制备方法，包括如下步骤：

12、1)制备n--ingan/n--gan/n+-gan/缓冲层/衬底结构的外延片，采用金属有机化学气相淀积技术，在硅或蓝宝石或碳化硅或氮化镓衬底上依次外延gan或algan渐变缓冲层、n+-gan、n--gan漂移层与n--ingan漂移层，得到n--ingan/n--gan/n+-gan/缓冲层/衬底结构的外延片。

13、2)在所述外延片上采用等离子增强化学气相淀积技术生长二氧化硅作为mg离子注入的掩膜阻挡层，厚度为200～500nm。随后光刻形成离子注入掩膜图形，并采用干法刻蚀工艺，即采用反应离子刻蚀设备利用氟基气体刻蚀二氧化硅，刻蚀掉未被光刻胶覆盖的二氧化硅层，使其形成离子注入的图形，随后采用有机溶剂清洗掉光刻胶。

14、3)采用离子注入工艺，在所述外延片上注入剂量为1×1014cm-2～5×1014cm-2，能量为20kev～60kev的mg离子，完成mg离子注入，并采用湿法刻蚀的方法去除二氧化硅掩膜层，即将样品浸入boe溶液中刻蚀掉二氧化硅掩膜。随后采用800℃～1200℃的氮气氛围下退火30分钟，使ingan材料中的in析出，促进mg进入in的晶格格点，激活mg离子，催化n--ingan转为p-(in)gan材料，形成多个大小相等的p-(in)gan结构。

15、4)采用光刻和感应耦合等离子体刻蚀工艺，进行台面刻蚀，刻蚀掉n--ingan与n--gan漂移层，刻蚀深度大于n--ingan与n--gan结构厚度之和，形成二极管隔离区域。

16、6)采用光刻定义阴极电极区域，使用boe溶液清洗样片，去除阴极区域氧化物。采用电子束蒸发工艺，在n+-gan上依次淀积20～30nm厚的钛，120～140nm的铝，40～55nm厚的镍，40～55nm的金，并在温度为850℃的氮气氛围下快速热退火30秒，使得阴极与n+-gan形成欧姆接触。

17、7)采用等离子增强化学气相淀积技术生长200～1000nm的氮化硅作为gan基jbs二极管的钝化层。

18、8)采用光刻定义开孔区域，使用干法刻蚀工艺，即采用反应离子刻蚀设备，利用氟基气体刻蚀开孔区域的氮化硅钝化层。

19、9)采用光刻定义阳极电极区域，使用boe溶液清洗样片，去除阳极区域氧化物。采用电子束蒸发工艺，依次在n--ingan漂移层上淀积20-50nm厚的镍和200～250nm厚的金，使得阴极与n--ingan漂移层形成肖特基接触，与p-(in)gan结构形成欧姆接触。

20、本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

21、本发明通过在n--gan漂移层上外延n--ingan漂移层，使得在mg离子注入之后的高温激活工艺中，靠近表面的in从ingan材料中析出至表面，使得mg进入in的晶格格点，有效降低mg的激活能，催化n--ingan转为p-(in)gan。在远离表面的ingan材料中，由于mg在ingan中的激活能低于在gan中的激活能，使得mg在ingan中具有更高的激活效率，形成p-(in)gan。综上，该发明可以有效提高gan基jbs二极管中mg离子注入p型掺杂的激活效率，提升gan基jbs二极管的反向耐压，同时，降低二极管的导通损耗。