CN101478006B - 基于导通型SiC衬底的太赫兹GaN耿氏二极管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于导通型SiC衬底的太赫兹GaN耿氏二极管结构及制作方法，主要解决GaAs基太赫兹耿氏器件输出功率极低的问题。该二极管包括SiC衬底层、AlN成核层和GaN外延层，其中SiC衬底层为n型导通型，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，以保证低阻的导电性。所述的低温AlN成核层厚度为30～50nm，以减小GaN外延层中的位错密度。所述的GaN外延层的下层是掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为1μm的高掺杂n⁺GaN层；中层是掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，厚度为1～3μm的低掺杂n^-GaN层；上层是掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为100nm的高掺杂n⁺GaN层。整个器件制作采用了两次刻蚀过程，实现SiC欧姆接触和GaN欧姆接触两种不同性质的金属化，减小了寄生串联电阻。本发明器件具有输出功率和工作频率高的优点，适用于太赫兹频段工作。

Description

基于导通型SiC衬底的太赫兹GaN耿氏二极管及其制作方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料、器件制作技术，具体的说是一种宽带隙半导体氮化镓器件的结构及制作方法，可用于制作高性能的适用于太赫兹频段的耿氏二极管，可以有效提高耿氏振荡器的工作频率和输出功率。

背景技术

以碳化硅SiC、氮化镓GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料由于具有大禁带宽度、高临界场强、高热导率、高载流子饱和速率、高异质结界面二维电子气浓度等优良特性，因此在微波毫米波大功率电子器件领域受到了人们广泛的关注。而近几年来，随着太赫兹THz即频率范围100GHz～10THz这一新兴科学技术领域的发展，GaN基电子器件在THz频段的应用研究日益蓬勃，这是由于GaN比传统化合物半导体砷化镓GaAs具有更高的工作频率和输出功率。对GaN材料的蒙特卡罗模拟研究显示，GaN的负阻振荡基频频率可达750GHz，远远大于GaAs的140GHz，而更为重要的是，在THz工作频段，GaN基器件的输出功率比GaAs高一到两个数量级，可以达到几百毫瓦甚至几瓦的功率，这在THz技术中是最令人感兴趣的器件指标。

目前首先应用于THz领域的半导体功率电子器件以负阻器件为主，比如基于GaAs材料的耿氏二极管、肖特基二极管和崩越二极管等，但是经倍频后信号输出功率太低(几百微瓦、几毫瓦的量级)是制约这些器件技术发展的主要因素。宽带隙GaN半导体材料技术的日益发展给了人们很大的鼓舞，希望将其高频大功率的特性应用于THz领域，但以当前的技术水平，GaN材料的制备和缺陷的控制仍存在较大的问题，因此目前最接近实用的GaN基THz功率电子器件应首推耿氏二极管器件。而由于GaN表面不稳定性和P型重掺杂技术不理想等因素使得GaN基肖特基二极管和崩越二极管在THz领域的进展稍显落后。

在THz领域的GaN材料和耿氏器件结构的理论研究和仿真模拟工作已经有近十年的研究，而实际器件制造工艺研究还是近两三年的事情，这是因为GaN材料的制备技术近几年有显著的进展。目前GaN基耿氏二极管基本采用图1所示的两种电极结构，即(a)平面同轴电极结构和(b)上下电极结构，其中对平面同轴电极结构的研究较为广泛，这是由于该结构在材料制备和器件工艺上不很复杂，兼容目前广泛采用的GaN器件平面工艺技术。然而，这种同轴电极结构的耿氏二极管所面临的最大问题是在器件封装时必须在正面引出阴极和阳极，因为器件采用高阻性衬底。因此在高偏压下，空间距离很接近的两电极间将产生极高的电场，容易出现电弧并产生击穿性漏电。而对于GaN耿氏器件而言，要产生耿氏负阻效应需要达到150KV/cm以上的临界电场强度，这就要求二极管两端的直流偏压接近或超过100V，才能产生耿氏振荡，得到足够的输出功率。而上下电极结构中由于采用了衬底电极，这种纵向结构在空间上隔离了两电极，因此有效抑制了两电极间的电迁徙造成的击穿现象，同时这种大面积的衬底电极结构也减小了二极管的寄生串联电阻，非常有利于器件的散热，这些优势，尤其对THz频段工作的器件而言，在振荡频率稳定性和输出功率特性方面显得异常重要。

除电极结构不同外，图1所示的耿氏器件采用的衬底材料也有所不同，初期研究阶段所采用的蓝宝石衬底结构在THz频段已经不适用了，原因是蓝宝石材料散热性能不佳，而THz频段的GaN耿氏器件直流/交流功率转换效率非常低，模拟仿真显示最佳的DC/AC转换效率也仅仅达到1％，这意味着器件必须保证很好的散热特性，否则器件内部自热效应就会占主导地位，从而抑制了器件负阻效应的作用，这个问题直到现在还是困扰人们的一个主要因素。采用图1(b)所示的自支撑GaN衬底材料或许是解决上述问题的方法【参见Yilmazoglu O，et al，IEEE Trans.ED，55，1563，2008】，但是自支撑GaN衬底材料的制备成本居高不下，从而限制了器件实用化。另一方面，GaN材料的散热与SiC相比还是差距较大，因为GaN与SiC的热导率分别为1.3W/cm.K和3.4W/cm.K，几百微米厚度的GaN衬底层在散热方面仍存在一定问题。因此按照当前的材料和器件工艺技术水平，以SiC做为衬底的GaN耿氏器件具有理想的散热特性，更适合于THz领域。目前应用于微波毫米波的GaN功率器件绝大部分采用半绝缘型SiC衬底，因为大都采用横向器件结构，因此如果沿用这种器件设计结构，就不可回避地采用共面同轴电极结构，阴阳两电极都从器件上方引出，从而器件击穿问题就不可避免了。

由此可见，n型导通型SiC衬底的采用是解决上述问题的最佳途径，这种材料在高掺杂下呈现出很好的导电特性，经过衬底减薄工艺后可以作为衬底电极的欧姆接触层，而且其机械强度远高于GaN衬底和蓝宝石衬底，重要的是其材料制造成本远低于半绝缘型SiC，是制造THz耿氏器件的理想材料。但遗憾的是目前还没有导通型SiC衬底结构的GaN基THz耿氏器件的研究报导，究其原因，SiC上生长GaN材料，对其缺陷的控制目前仍然是最大的技术障碍，很明显，缺陷密度会直接影响到耿氏负阻区的稳定性，从而影响振荡频率的产生和维持，尤其在频率极高的THz域，GaN材料中的体缺陷密度的影响更加显著。1995年Ponce等人提出了在SiC衬底上以AlN作为成核层生长GaN材料的方法【参见Ponce F A，et al，J Appl Phys，67，410，1995】，该方案是在SiC衬底上首先生长一层氮化铝AlN作为成核层，接着在其上外延生长GaN材料并制作各种器件，比基于蓝宝石衬底的GaN器件电学性能与散热性能均有大幅的提高，而且AlN与SiC和GaN相近的晶格常数使得晶格匹配更为合理，非常有利于控制GaN外延层中的位错密度，大幅提高GaN单晶质量。然而，这个AlN成核层虽然仅有30～50nm厚度，但由于在电特性上是绝缘的，因而对以SiC衬底作为导电通道的纵向结构器件而言，该成核层会增加串联电阻，影响耿氏器件的频率和输出功率特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于导通型SiC衬底的太赫兹GaN耿氏二极管结构及制作方法，以解决目前使用的GaAs基耿氏器件在THz频段输出功率极低的问题，为GaN技术向THz领域进一步拓展提供良好的支持。

本发明的目的是这样实现的：

一.本发明的器件结构

本发明基于导通型SiC衬底的太赫兹GaN耿氏二极管，包括SiC衬底层、AlN成核层和GaN外延层，其中SiC衬底层为n型导通型，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，以保证低阻的导电性。

所述的GaN外延层的下层是掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3、厚度为1μm的高掺杂n⁺GaN层，中层是掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3、厚度为1～3μm的低掺杂n^-GaN层，上层是掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3、厚度为100nm的高掺杂n⁺GaN层。

二.本发明的制作方法

制作方法1

一种基于导通型SiC衬底的太赫兹GaN耿氏二极管的制作方法，按如下过程进行：

(1)在低阻n型导通型SiC基片上采用金属有机化学汽相淀积MOCVD方法外延生长AlN成核层，厚度为30～50nm；

(2)在AlN成核层上利用MOCVD方法依次外延生长出掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3、厚度为1μm的n⁺GaN下电极欧姆接触层，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3、厚度为1～3μm的n^-GaN有源层和掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3、厚度为100nm的n⁺GaN上电极欧姆接触层，形成“三明治结构”的GaN外延层；

(3)在GaN外延层上采用干法刻蚀形成大圆形台面，刻蚀深度至SiC界面；

(4)在刻蚀露出的SiC面上淀积Ni/Pt/Au多层金属，经金属剥离形成SiC衬底正面连接电极；

(5)在SiC衬底背面淀积Ni/Pt/Au多层金属，构成衬底电极，即耿氏二极管的阳极；

(6)采用快速热退火工艺，使SiC衬底正反两面与金属之间均形成欧姆接触；

(7)在大圆形GaN台面上继续采用干法刻蚀，形成耿氏二极管的小圆形有源台面，刻蚀深度至n⁺GaN下电极欧姆接触层；

(8)在小圆形有源台面上和刻蚀露出n⁺GaN下电极欧姆接触层的面上同时淀积Ti/Al/Ni/Au多层金属，经金属剥离，在小圆形有源台面上形成上电极，即耿氏二极管的阴极，在下电极欧姆接触层面上形成同轴环形连接电极；

(9)经快速热退火工艺过程，使GaN与圆形电极金属和环形连接电极金属间形成欧姆接触；

(10)采用电镀工艺加厚阳极和阴极的金属层。

制作方法2

一种基于导通型SiC衬底的太赫兹GaN耿氏二极管的制作方法，按如下过程进行：

1)在低阻n型导通型SiC基片上采用金属有机化学汽相淀积MOCVD方法外延生长AlN成核层，厚度为30～50nm；

2)在AlN成核层上利用MOCVD方法依次外延生长出掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3、厚度为1μm的n⁺GaN下电极欧姆接触层，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3、厚度为1～3μm的n^-GaN有源层和掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3、厚度为100nm的n⁺GaN上电极欧姆接触层，形成“三明治结构”的GaN外延层；

3)在GaN多层外延层上采用光电化学湿法刻蚀形成二极管器件的圆形有源区台面，刻蚀深度至n⁺GaN下电极欧姆接触层中；

4)在二极管圆形有源区台面外继续采用干法刻蚀形成与有源区台面同轴的大圆形台面，刻蚀区域深度至SiC界面；

5)在刻蚀露出的SiC界面上依次蒸发Ni/Pt/Au多层金属，经金属剥离形成SiC正面连接电极；

6)在SiC衬底背面淀积Ni/Pt/Au多层金属，构成衬底电极，即耿氏二极管的阳极；

7)采用快速热退火工艺，使SiC衬底正反两面与金属之间均形成欧姆接触；

8)在二极管有源区台面上光刻形成上电极图形，在有源区台面外光刻形成同轴的环形电极图形，然后依次蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金属，经金属剥离形成耿氏二极管的圆形上电极和环形连接电极；

9)经快速热退火工艺，使n⁺GaN与圆形上电极金属和环形连接电极金属间形成欧姆接触；

10)采用电镀工艺加厚阳极和阴极的金属层。

本发明具有如下优点

A.本发明的GaN太赫兹耿氏二极管采用了导通型SiC衬底，大幅提高了衬底散热能力，同时也实现了大面积的衬底电极结构，因此显著降低了器件寄生串联电阻，有利于高频耿氏振荡的维持，并借助于GaN的高频高功率特性，使本发明的耿氏二极管在太赫兹频段可以输出更高的功率；

B.本发明的耿氏二极管结构在制作过程中采用了两次刻蚀技术，实现了SiC欧姆接触和GaN欧姆接触两种不同性质的金属化过程，通过中间过渡连接电极显著减小了具有绝缘性质的AlN成核层对器件的下电极造成的影响，因此进一步减小了器件的寄生串联电阻，提高了器件的频率和功率特性；

C.本发明的GaN耿氏二极管具有纵向的电极结构，完全兼容传统耿氏二极管的封装工艺，非常有利于高频谐振腔内的安装，制作太赫兹振荡组件。

附图说明

图1是常规太赫兹GaN耿氏二极管的结构剖面图，其中(a)是平面同轴电极结构，(b)是上下电极结构；

图2是本发明太赫兹GaN耿氏二极管的结构示意图，其中(a)是器件剖面图，(b)是器件正面电极的俯视图；

图3是制作本发明太赫兹GaN耿氏二极管的第一种工艺流程图；

图4是制作本发明太赫兹GaN耿氏二极管的第二种工艺流程图。

具体实施方式

以下参照说明书附图详细描述本发明的实施过程与实施例。

参照图2，本发明的太赫兹GaN耿氏二极管所采用的半导体材料结构自下而上为n型导通型SiC衬底、AlN成核层、n⁺GaN下欧姆接触层、n^-GaN有源层和n⁺GaN上欧姆接触层组成，其中n型导通型SiC衬底层的掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，以保证低阻的导电性，作为生长GaN耿氏器件结构层的物理支撑层，同时起到散热层和二极管阳极欧姆接触层的作用；AlN成核层的厚度为30～50nm，起到SiC与GaN之间晶格匹配过渡、调节SiC与GaN之间应力和降低GaN外延层位错密度的作用；n⁺GaN下欧姆接触层的掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为1μm；n^-GaN有源层的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，厚度为1～3μm，该掺杂浓度和厚度决定了耿氏畴的形成和耿氏振荡频率的高低；n⁺GaN上欧姆接触层的掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为100nm。

所述二极管的最上层的n⁺GaN欧姆接触层上面是由Ti/Al/Ni/Au多层金属构成的上电极即二极管阴极；中间环形连接电极由Ti/Al/Ni/Au金属和Ni/Pt/Au金属交叠覆盖组成，该连接电极起到连接GaN器件结构层和SiC衬底层的作用，以减小AlN成核层的串联电阻影响；SiC衬底背面是由Ni/Pt/Au多层金属构成的下电极即二极管阳极。

所述二极管的电极形状为圆形，如图2(b)所示，即中心圆形电极为Ti/Al/Ni/Au的二极管阴极；环形电极内圈为Ti/Al/Ni/Au的GaN欧姆接触电极，外圈为Ni/Pt/Au的SiC欧姆接触电极，两电极部分重叠，形成连通；衬底的二极管阳极在该图中未画出。

参照图3，本发明的太赫兹GaN耿氏二极管第一种制作方法如下：

实施例1

本发明制作基于2英寸n型导通型4H-SiC衬底的太赫兹GaN耿氏二极管。

参照图3工艺流程，本实施例的制作过程如下：

1.选用2英寸4H-SiC导通型n型SiC衬底片，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，背面减薄至150μm衬底厚度。

2.在MOCVD上采用三甲基铝与高纯氨气作为铝源与氮源，在温度约为600℃、压力为40托下在SiC基片上首先生长一层低温AlN成核层，厚度为30nm。

3.采用三乙基镓、高纯氨气作为镓源与氮源，硅烷气体作为n型掺杂源，控制温度为950℃，压力为40托，在AlN成核层上生长一层高温n⁺GaN层，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为1μm，作为器件的下欧姆接触层；改变硅烷气体流量，继续生长一层高温n^-GaN层，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，厚度为1μm，作为器件的有源层；使用与下欧姆接触层相同的条件，继续生长一层高温n⁺GaN层，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为100nm，作为器件的上欧姆接触层；形成“三明治”多层GaN结构作为耿氏器件的核心部分。

4.在GaN层上光刻形成大圆形掩膜图形，其直径为100μm，采用反应离子刻蚀RIE技术，使用BCl₃/Cl₂刻蚀气体源，刻蚀GaN多层外延层，刻蚀深度达到SiC界面层，形成圆形的隔离台面。

5.保留圆形隔离台面上的掩膜胶，采用真空电子束蒸发设备依次蒸发Ni/Pt/Au多层金属，厚度分别为40nm/20nm/50nm，然后经金属剥离去掉台面上的金属，保留刻蚀区SiC上的金属。

6.在SiC背面直接蒸发Ni/Pt/Au多层金属，厚度分别为40nm/20nm/150nm。

7.将正反两面都蒸有Ni/Pt/Au的样品进行快速热退火处理，退火条件为温度1000℃，时间5分钟，氩气气氛，形成SiC欧姆接触，其中正面为连接电极，背面为耿氏二极管的阳极。

8.在过程4形成的圆形隔离台面上光刻形成同轴的小圆形台面图形，即耿氏二极管有源区台面，其直径为20μm。

9.继续采用反应离子刻蚀，刻蚀深度进入到下欧姆接触n⁺GaN层中500nm，形成二极管有源区台面。

10.在有源区台面上和台面下经光刻分别形成圆形和环形图形窗口，其中环形图形内外径宽度为60μm，内缘与台面侧墙的距离为10μm，该环形图形与过程7形成的SiC正面连接电极相交叠，交叠宽度为30μm。

11.电子束依次蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为20nm/120nm/55nm/150nm，经金属剥离形成圆形上电极即耿氏二极管的阴极，和环形连接电极。

12.进行快速热退火处理，退火条件为温度850℃，40秒钟，氮气气氛，形成GaN欧姆接触，其中环形电极交叠覆盖于SiC正面连接电极上形成连通。

13.对二极管的阴极和阳极金属进行电镀加厚处理。

经上述工艺过程，最终形成耿氏二极管管芯，其结构参照图2所示。

实施例2

本发明制作基于2英寸n型导通型6H-SiC衬底、SiN钝化GaN耿氏二极管。

参照图3工艺流程，本实施例的制作过程如下：

1.选用2英寸6H-SiC导通型n型SiC衬底片，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，背面减薄至200μm衬底厚度。

2.在MOCVD上采用三甲基铝与高纯氨气作为铝源与氮源，在温度约为600℃、压力为40托下在SiC基片上首先生长一层低温AlN成核层，厚度为50nm。

3.采用三乙基镓、高纯氨气作为镓源与氮源，硅烷气体作为n型掺杂源，控制温度为950℃，压力为40托，在AlN成核层上生长一层高温n⁺GaN层，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为1μm，作为器件的下欧姆接触层；改变硅烷气体流量，继续生长一层高温n^-GaN层，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，厚度为3μm，作为器件的有源层；使用与下欧姆接触层相同的条件，继续生长一层高温n⁺GaN层，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为100nm，作为器件的上欧姆接触层；形成“三明治”多层GaN结构作为耿氏器件的核心部分。

4.在GaN层上光刻形成大圆形掩膜图形，其直径为100μm。采用反应离子刻蚀RIE技术，使用BCl₃/Cl₂刻蚀气体源，刻蚀GaN多层外延层，刻蚀深度达到SiC界面层，形成圆形的隔离台面。

5.保留圆形隔离台面上的掩膜胶，采用真空电子束蒸发设备依次蒸发Ni/Pt/Au多层金属，厚度分别为40nm/20nm/50nm，然后经金属剥离去掉台面上的金属，保留刻蚀区SiC上的金属。

6.在SiC背面直接蒸发Ni/Pt/Au多层金属，厚度分别为40nm/20nm/150nm。

7.将正反两面都蒸有Ni/Pt/Au的样品进行快速热退火处理，退火条件为温度1000℃，时间5分钟，氩气气氛，形成SiC欧姆接触，其中正面为连接电极，背面为耿氏二极管的阳极。

8.在过程4形成的圆形隔离台面上光刻形成同轴的小圆形台面图形，即耿氏二极管有源区台面，其直径为30μm。

9.继续采用反应离子刻蚀，刻蚀深度进入到下欧姆接触n⁺GaN层中500nm，形成二极管有源区台面。

10.在有源区台面上和台面下经光刻分别形成圆形和环形图形窗口，其中环形图形内外径宽度为60μm，内缘与台面侧墙的距离为10μm，该环形图形与过程7形成的SiC正面连接电极相交叠，交叠宽度为35μm；

11.电子束依次蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为20nm/120nm/55nm/150nm，经金属剥离形成圆形上电极即耿氏二极管的阴极，和环形连接电极。

12.进行快速热退火处理，退火条件为温度850℃，40秒钟，氮气气氛，形成GaN欧姆接触，其中环形电极交叠覆盖于SiC正面连接电极上形成连通；

13.对二极管的阴极和阳极金属进行电镀加厚处理。

14.采用PECVD在器件正面淀积SiN钝化层，厚度200nm，钝化后采用干法刻蚀在上电极开孔，刻蚀气体CF₄。

经上述工艺过程，最终形成耿氏二极管管芯，其结构参照图2所示。

实施例3

本发明制作基于3英寸n型导通型4H-SiC衬底的太赫兹GaN耿氏二极管。

参照图3工艺流程，本实施例的制作过程如下：

1.选用3英寸4H-SiC导通型n型SiC衬底片，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，背面减薄至300μm衬底厚度。

2.在MOCVD上采用三甲基铝与高纯氨气作为铝源与氮源，在温度约为600℃、压力为40托下在SiC基片上首先生长一层低温AlN成核层，厚度为40nm。

3.采用三乙基镓、高纯氨气作为镓源与氮源，硅烷气体作为n型掺杂源，控制温度为950℃，压力为40托，在AlN成核层上生长一层高温n⁺GaN层，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为1μm，作为器件的下欧姆接触层；改变硅烷气体流量，继续生长一层高温n^-GaN层，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，厚度为2μm，作为器件的有源层；使用与下欧姆接触层相同的条件，继续生长一层高温n⁺GaN层，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为100nm，作为器件的上欧姆接触层；形成“三明治”多层GaN结构作为耿氏器件的核心部分。

4.在GaN层上光刻形成大圆形掩膜图形，其直径为100μm，采用反应离子刻蚀RIE技术，使用BCl₃/Cl₂刻蚀气体源，刻蚀GaN多层外延层，刻蚀深度达到SiC界面层，形成圆形的隔离台面。

5.保留圆形隔离台面上的掩膜胶，采用真空电子束蒸发设备依次蒸发Ni/Pt/Au多层金属，厚度分别为40nm/20nm/50nm，然后经金属剥离去掉台面上的金属，保留刻蚀区SiC上的金属。

6.在SiC背面直接蒸发Ni/Pt/Au多层金属，厚度分别为40nm/20nm/150nm。

7.将正反两面都蒸有Ni/Pt/Au的样品进行快速热退火处理，退火条件为温度1000℃，时间5分钟，氩气气氛，形成SiC欧姆接触，其中正面为连接电极，背面为耿氏二极管的阳极。

8.在过程4形成的圆形隔离台面上光刻形成同轴的小圆形台面图形，即耿氏二极管有源区台面，其直径为25μm。

9.继续采用反应离子刻蚀，刻蚀深度进入到下欧姆接触n⁺GaN层中500nm，形成二极管有源区台面。

10.在有源区台面上和台面下经光刻分别形成圆形和环形图形窗口，其中环形图形内外径宽度为60μm，内缘与台面侧墙的距离为10μm，该环形图形与过程7形成的SiC正面连接电极相交叠，交叠宽度为32.5μm。

11.电子束依次蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为20nm/120nm/55nm/150nm，经金属剥离形成圆形上电极即耿氏二极管的阴极，和环形连接电极。

12.进行快速热退火处理，退火条件为温度850℃，40秒钟，氮气气氛，形成GaN欧姆接触，其中环形电极交叠覆盖于SiC正面连接电极上形成连通。

13.对二极管的阴极和阳极金属进行电镀加厚处理。

经上述工艺过程，最终形成耿氏二极管管芯，其结构参照图2所示。

参照图4，本发明太赫兹GaN耿氏二极管的第二种制作方法如下：

实施例4

本发明制作基于2英寸n型导通型4H-SiC衬底的太赫兹GaN耿氏二极管。

参照图4工艺流程，本实施例的制作过程如下：

1)选用2英寸4H-SiC导通型n型SiC衬底片，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，背面减薄至150μm衬底厚度。

2)在MOCVD上采用三甲基铝与高纯氨气作为铝源与氮源，在温度约为600℃、压力为40托下在SiC基片上首先生长一层低温AlN成核层，厚度为50nm。

3)采用三乙基镓、高纯氨气作为镓源与氮源，硅烷气体作为n型掺杂源，控制温度为950℃，压力为40托，在AlN成核层上生长一层高温n⁺GaN层，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为1μm，作为器件的下欧姆接触层；改变硅烷气体流量，继续生长一层高温n^-GaN层，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，厚度为1μm，作为器件的有源层；使用与下欧姆接触层相同的条件，继续生长一层高温n⁺GaN层，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为100nm，作为器件的上欧姆接触层；形成“三明治”多层GaN结构作为耿氏器件的核心部分。

4)经涂胶、光刻、显影工艺，在GaN层上形成圆形掩膜图形，直径为30μm。采用光电化学PEC刻蚀技术刻蚀GaN多层外延层，刻蚀深度至n⁺GaN下欧姆接触层500nm，形成圆形的耿氏二极管有源区台面。

5)采用BCl₃/Cl₂源反应离子刻蚀RIE方法，在二极管圆形有源区台面外刻蚀形成与有源区台面同轴的大圆形台面，刻蚀深度达到并截止于SiC界面。

6)保留大圆形台面上的掩膜胶，采用自对准方法在刻蚀露出的SiC界面上依次蒸发Ni/Pt/Au多层金属，厚度分别为40nm/20nm/50nm，然后经金属剥离，形成金属连接电极。

7)在SiC衬底背面淀积Ni/Pt/Au多层金属，厚度分别为40nm/20nm/150nm。

8)进行快速热退火处理，退火条件为温度1000℃，时间5分钟，氩气气氛，使SiC衬底正反两面与Ni/Pt/Au金属之间均形成欧姆接触，其中正面为连接电极，背面为二极管的阳极。

9)经涂胶、光刻、显影工艺，在圆形有源区台面上形成上电极图形，在有源区台面外光刻形成同轴的环形电极图形，其中环形电极图形内外径宽度为60μm，内边缘与台面侧墙的距离为10μm。

10)依次蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为20nm/120nm/55nm/150nm，经金属剥离形成圆形上电极即二极管阴极和环形连接电极，其中环形连接电极交叠覆盖SiC正面连接电极形成连通。

11)进行快速热退火处理，退火条件为温度850℃，40秒钟，氮气气氛，形成GaN与金属间的欧姆接触。

12)对二极管的阴极和阳极金属进行电镀加厚处理。

经上述工艺步骤，最终形成耿氏二极管管芯，器件的剖面参照图2所示。

实施例5

本发明制作基于3英寸n型导通型6H-SiC衬底的太赫兹GaN耿氏二极管。

参照图4工艺流程，本实施例的制作过程如下：

1)选用3英寸6H-SiC导通型n型SiC衬底片，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，背面减薄至300μm衬底厚度。

2)在MOCVD上采用三甲基铝与高纯氨气作为铝源与氮源，在温度约为600℃、压力为40托下在SiC基片上首先生长一层低温AlN成核层，厚度为30nm。

3)采用三乙基镓、高纯氨气作为镓源与氮源，硅烷气体作为n型掺杂源，控制温度为950℃，压力为40托，在AlN成核层上生长一层高温n⁺GaN层，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为1μm，作为器件的下欧姆接触层；改变硅烷气体流量，继续生长一层高温n^-GaN层，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，厚度为3μm，作为器件的有源层；使用与下欧姆接触层相同的条件，继续生长一层高温n⁺GaN层，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为100nm，作为器件的上欧姆接触层；形成“三明治”多层GaN结构作为耿氏器件的核心部分。

4)经涂胶、光刻、显影工艺，在GaN层上形成圆形掩膜图形，直径为20μm。采用光电化学PEC刻蚀技术刻蚀GaN多层外延层，刻蚀深度至n⁺GaN下欧姆接触层500nm，形成圆形的耿氏二极管有源区台面。

5)采用BCl₃/Cl₂源反应离子刻蚀RIE方法，在二极管圆形有源区台面外刻蚀形成与有源区台面同轴的大圆形台面，刻蚀深度达到并截止于SiC界面。

6)保留大圆形台面上的掩膜胶，采用自对准方法在刻蚀露出的SiC界面上依次蒸发Ni/Pt/Au多层金属，厚度分别为40nm/20nm/50nm，然后经金属剥离，形成金属连接电极。

7)在SiC衬底背面淀积Ni/Pt/Au多层金属，厚度分别为40nm/20nm/150nm。

8)进行快速热退火处理，退火条件为温度1000℃，时间5分钟，氩气气氛，使SiC衬底正反两面与Ni/Pt/Au金属之间均形成欧姆接触，其中正面为连接电极，背面为二极管的阳极。

9)经涂胶、光刻、显影工艺，在圆形有源区台面上形成上电极图形，在有源区台面外光刻形成同轴的环形电极图形，其中环形电极图形内外径宽度为60μm，内边缘与台面侧墙的距离为10μm。

10)依次蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为20nm/120nm/55nm/150nm，经金属剥离形成圆形上电极即二极管阴极和环形连接电极，其中环形连接电极交叠覆盖SiC正面连接电极形成连通。

11)进行快速热退火处理，退火条件为温度850℃，40秒钟，氮气气氛，形成GaN与金属间的欧姆接触。

12)对二极管的阴极和阳极金属进行电镀加厚处理。

经上述工艺步骤，最终形成耿氏二极管管芯，器件的剖面参照图4所示。

实施例6

本发明制作基于2英寸n型导通型4H-SiC衬底的太赫兹GaN耿氏二极管。

参照图4工艺流程，本实施例的制作过程如下：

1)选用2英寸4H-SiC导通型n型SiC衬底片，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，背面减薄至200μm衬底厚度。

2)在MOCVD上采用三甲基铝与高纯氨气作为铝源与氮源，在温度约为600℃、压力为40托下在SiC基片上首先生长一层低温AlN成核层，厚度为40nm。

3)采用三乙基镓、高纯氨气作为镓源与氮源，硅烷气体作为n型掺杂源，控制温度为950℃，压力为40托，在AlN成核层上生长一层高温n⁺GaN层，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为1μm，作为器件的下欧姆接触层；改变硅烷气体流量，继续生长一层高温n^-GaN层，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，厚度为2μm，作为器件的有源层；使用与下欧姆接触层相同的条件，继续生长一层高温n⁺GaN层，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为100nm，作为器件的上欧姆接触层；形成“三明治”多层GaN结构作为耿氏器件的核心部分。

4)经涂胶、光刻、显影工艺，在GaN层上形成圆形掩膜图形，直径为25μm。采用BCl₃/Cl₂源反应离子刻蚀RIE方法刻蚀GaN多层外延层，刻蚀深度至n⁺GaN下欧姆接触层500nm，形成圆形的耿氏二极管有源区台面。

5)继续采用BCl₃/Cl₂源反应离子刻蚀RIE方法，在二极管圆形有源区台面外刻蚀形成与有源区台面同轴的大圆形台面，刻蚀深度达到并截止于SiC界面；

6)保留大圆形台面上的掩膜胶，采用自对准方法在刻蚀露出的SiC界面上依次蒸发Ni/Pt/Au多层金属，厚度分别为40nm/20nm/50nm，然后经金属剥离，形成金属连接电极；

7)在SiC衬底背面淀积Ni/Pt/Au多层金属，厚度分别为40nm/20nm/150nm；

8)进行快速热退火处理，退火条件为温度1000℃，时间5分钟，氩气气氛，使SiC衬底正反两面与Ni/Pt/Au金属之间均形成欧姆接触，其中正面为连接电极，背面为二极管的阳极；

9)经涂胶、光刻、显影工艺，在圆形有源区台面上形成上电极图形，在有源区台面外光刻形成同轴的环形电极图形，其中环形电极图形内外径宽度为60μm，内边缘与台面侧墙的距离为10μm；

10)依次蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度为20nm/120nm/55nm/150nm，经金属剥离形成圆形上电极即二极管阴极和环形连接电极，其中环形连接电极交叠覆盖SiC正面连接电极形成连通。

11)进行快速热退火处理，退火条件为温度850℃，40秒钟，氮气气氛，形成GaN与金属间的欧姆接触。

12)对二极管的阴极和阳极金属进行电镀加厚处理。

经上述工艺步骤，最终形成耿氏二极管管芯，器件的剖面参照图2所示。

对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于n型导通型SiC衬底的太赫兹GaN耿氏二极管的制作方法，按如下过程进行：

(1)在低阻n型导通型SiC基片上采用金属有机化学汽相淀积MOCVD方法外延高温生长AlN成核层，厚度为30～50nm；

(2)在AlN成核层上利用MOCVD方法依次外延生长出掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3、厚度为1μm的n⁺GaN下电极欧姆接触层，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3、厚度为1～3μm的n^-GaN有源层和掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3、厚度为100nm的n⁺GaN上电极欧姆接触层，形成“三明治结构”的GaN外延层；

(3)在GaN外延层上采用干法刻蚀形成大圆形台面，台面外刻蚀深度至露出SiC衬底为止；

(4)在刻蚀露出的SiC面上淀积Ni/Pt/Au多层金属，台面由光刻掩膜保护，经金属剥离形成SiC衬底正面连接电极图形；

(5)在SiC衬底背面淀积Ni/Pt/Au多层金属，形成大面积的衬底电极图形，即耿氏二极管的阳极；

(6)采用快速热退火工艺，使SiC衬底正反两面与金属之间均形成欧姆接触；

(7)在由过程(3)形成的大圆形GaN台面上继续采用干法刻蚀，形成同轴小圆形台面，即耿氏二极管有源区，刻蚀深度至n⁺GaN下电极欧姆接触层；

(8)在小圆形台面上和刻蚀露出n⁺GaN下电极欧姆接触层的面上同时淀积Ti/Al/Ni/Au多层金属，经金属剥离，在小圆形台面上形成上电极图形，即耿氏二极管的阴极，同时在台面外下电极欧姆接触层面上形成同轴环形连接电极图形；

(9)经快速热退火工艺过程，使n⁺GaN上电极欧姆接触层与圆形上电极金属间形成欧姆接触，n⁺GaN下电极欧姆接触层与环形连接电极金属间形成欧姆接触；

(10)采用电镀工艺加厚二极管阳极和阴极的金属层。

2.根据权利要求1所述的太赫兹GaN耿氏二极管的制作方法，其中过程(8)所述的在台面外下电极欧姆接触层面上形成同轴环形连接电极图形，是交叠覆盖于由过程(4)所形成的SiC衬底正面连接电极上形成连通，而环形电极内缘与小圆形台面侧墙之间保证10μm的间距。

3.一种基于导通型SiC衬底的太赫兹GaN耿氏二极管的制作方法，按如下过程进行：

1)在低阻n型导通型SiC基片上采用金属有机化学汽相淀积MOCVD方法外延生长AlN成核层，厚度为30～50nm；

2)在AlN成核层上利用MOCVD方法依次外延生长出掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3、厚度为1μm的n⁺GaN下电极欧姆接触层，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3、厚度为1～3μm的n^-GaN有源层和掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3、厚度为100nm的n⁺GaN上电极欧姆接触层，形成“三明治结构”的GaN外延层；

3)在GaN多层外延层上采用光电化学湿法刻蚀形成二极管器件的小圆形台面，刻蚀深度至n⁺GaN下电极欧姆接触层中；

4)在小圆形台面外继续采用干法刻蚀形成与台面同轴的大圆形台面，大台面外刻蚀深度至露出SiC衬底为止；

5)在刻蚀露出的SiC界面上依次蒸发Ni/Pt/Au多层金属，其余部分由光刻掩膜保护，经金属剥离形成SiC正面连接电极图形；

6)在SiC衬底背面淀积Ni/Pt/Au多层金属，形成大面积的衬底电极图形，即耿氏二极管的阳极；

7)采用快速热退火工艺，使SiC衬底正反两面与金属之间均形成欧姆接触；

8)在二极管有源区台面上光刻形成上电极图形，在有源区台面外光刻形成同轴的环形电极图形，然后依次蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金属，经金属剥离形成耿氏二极管的圆形上电极和环形连接电极图形；

9)经快速热退火工艺，使n⁺GaN上电极欧姆接触层与圆形上电极金属间形成欧姆接触，n⁺GaN下电极欧姆接触层与环形连接电极金属间形成欧姆接触；

10)采用电镀工艺加厚二极管阳极和阴极的金属层。

4.根据权利要求3所述的太赫兹GaN耿氏二极管的制作方法，其中过程(8)所述的在有源区台面外光刻形成同轴的环形电极图形，是交叠覆盖于由过程(5)形成的SiC正面环形电极上形成连通，而环形电极内缘与小圆形台面侧墙之间保证10μm的间距。

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