CN103400865A - 基于极化掺杂的GaN肖特基二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于极化掺杂的GaN肖特基二极管，属于半导体器件领域。本发明包括用于支撑整个GaN肖特基二极管的半绝缘的衬底层、在所述衬底层上生长的高掺杂的N+型GaN层以及在N+型GaN层上采用极化掺杂生长的N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层；所述N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层的Al组分从N+型GaN层的界面处开始非均匀分布；在所述二极管上还设有欧姆接触电极和肖特基接触电极。本发明采用极化掺杂方式在N+型GaN层上生长N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层，提高了GaN材料的迁移率，从而减小了肖特基二极管的串联电阻，提高了其工作频率，进而提高了毫米波和太赫兹范围内倍频电路的工作频率和输出功率；利用极化掺杂方式可以有效控制肖特基二极管的变容比，提高器件的Q值。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域。
背景技术
以Si、GaAs等传统半导体材料为基础的肖特基倍频二极管器件由于受到材料本身属性的限制，在功率和耐击穿电压等相应指标上很难再有进一步的提高。近年来以Ⅲ族氮化物为表的新一代宽禁带半导体材料发展迅猛。具有宽带隙、高饱和电子漂移速、高击穿场强和高热导率等优越材料性能，在毫米波、亚毫米波大功率电子器件领域极具发展潜力。基于GaN的肖特基二极管毫米波、亚毫米波倍频器件的研究是目前国际上的热点，国内的研究还停留在很低的频率段上。
由于GaN材料的电子迁移率相比GaAs比较低，基于GaN材料制备的肖特基二极管的串联电阻很大，使得器件的截止频率和工作频率很难达到GaAs器件的水平。另外，GaN材料的湿法腐蚀工艺还不成熟，一般采用干法刻蚀，再进行平整化工艺，对器件工艺带来了难度。目前采用采用改善欧姆接触工艺和探索新的肖特基接触金属来提高器件的工作频率，国际上工作频率最高已经达到了100GHz。若要进一步提高器件的工作频率需要从材料和器件结构入手，提高GaN材料的迁移率，采用GaAs常用的平面型结构，来达到更高的工作频率。
极化掺杂的概念最早由UCSB U.K.mishra教授领导的研究小组2001年提出，并进行了极化掺杂的N型材料生长。我国中科院半导体所、物理所和电子科技大学等单位也进行了极化掺杂材料生长和理论研究的工作。但是国内外都没有开展极化掺杂GaN肖特基二极管器件制备工作。
发明内容
本发明提供了一种基于极化掺杂的GaN肖特基二极管，该二极管利用极化掺杂方式提高GaN材料的迁移率和GaN肖特基二极管的变容比，最终提高毫米波和太赫兹范围内倍频电路的工作频率和输出功率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于极化掺杂的GaN肖特基二极管，包括用于支撑整个GaN肖特基二极管的半绝缘的衬底层、在所述衬底层上生长的高掺杂的N+型GaN层以及在N+型GaN层上采用极化掺杂生长的N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层；所述N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层的Al组分从N+型GaN层的界面处开始非均匀分布；在所述二极管上还设有欧姆接触电极和肖特基接触电极。
所述N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层的Al组分的分布方式为从N+型GaN层的界面处开始递增或递减。
所述N+型GaN层分为两部分设于衬底层两端，其上分别设有欧姆接触电极，其中一个N+型GaN层上还设有N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层，该N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层上设有肖特基接触电极，在肖特基接触电极和位于另一侧的欧姆接触电极的上表面设有空气桥悬臂，在空气桥悬臂下方为深槽隔离区。
所述N+型GaN层分为两部分设于衬底层两端，两端的N+型GaN层上均设有N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层，其中一侧的N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层设有欧姆接触电极，在另一侧的N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层上设有台阶，欧姆接触电极和肖特基接触电极分别位于不同的台阶上，在肖特基接触电极和位于另一侧的欧姆接触电极的上表面设有空气桥悬臂，在空气桥悬臂下方为深槽隔离区。
所述N+型GaN层的掺杂元素为Ⅳ族元素，掺杂浓度为1016cm-3到1019cm-3。
在所述N+型GaN层上生长有欧姆接触电极；在所述N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层上生长有肖特基接触电极。
所述N+型GaN层的掺杂元素为Ⅳ族元素，掺杂浓度为1016cm-3到1019cm-3。
所述衬底层为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底。
采用上述技术方案取得的技术进步为：1、本发明采用极化掺杂方式在N+型GaN层上生长N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层，提高了GaN材料的迁移率，从而减小了肖特基二极管的串联电阻，提高了其工作频率，进而提高了毫米波和太赫兹范围内倍频电路的工作频率和输出功率；2、利用极化掺杂方式可以有效控制肖特基二极管的变容比，提高器件的Q值；3、本发明采用了点支撑空气桥结构进一步减小了寄生电容，提高了毫米波和太赫兹范围内倍频电路的工作频率和输出功率。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为实施例2的结构示意图；
图3为实施例3的结构示意图；
其中，101、衬底层，102、N+型GaN层，103、N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层，104、欧姆接触电极，105、肖特基接触电极；106、空气桥悬臂，107、深槽隔离区。
具体实施方式
实施例1
由图1所示可知，基于极化掺杂的GaN肖特基二极管，包括用于支撑整个GaN肖特基二极管的半绝缘的衬底层101、在所述衬底层101上生长的高掺杂的N+型GaN层102以及在N+型GaN层102上采用极化掺杂生长的N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103；所述N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103的Al组分从N+型GaN层102的界面处开始递增，可以为线性递增，也可以为非线性递增。所述N+型GaN层102的掺杂元素为Ⅳ族元素，掺杂浓度为1016cm-3到1019cm-3。
在所述N+型GaN层102上生长有欧姆接触电极104，欧姆接触电极104分为两部分，对称设于N+型GaN层102的两端部，欧姆接触电极104与N+型GaN层102之间面接触。在所述N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103上生长有肖特基接触电极105，肖特基接触电极105与N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103面接触。
本实施例中衬底层101为蓝宝石衬底；所述欧姆接触电极104由蒸发金属层通过高温快速退火形成，此蒸发金属层由依次沉积的钛、铝、镍、金形成，所述肖特基接触电极105由钛、铂、金依次沉淀的蒸发金属层形成。
该肖特基二极管的制作步骤为：
1. 准备半绝缘的衬底层101；
2. 在衬底层101上外延生长高掺杂的N+型GaN层102，掺杂元素为Ⅳ族元素，如Si元素，掺杂浓度控制在1016cm-3到1019cm-3；
3. 在N+型GaN层102上采用极化掺杂方法外延生长N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103，此层中Al组分从N+型GaN层102的界面处开始采用渐变极化掺杂方法递增生长，即 Al组分的变化趋势为：从界面处逐渐变大；
4.用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺去掉N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103两端的部分，露出N+型GaN层102，在N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103和N+型GaN层102之间形成台阶，在裸露的N+型GaN层102上采用电子束蒸发方法蒸发金属层制成欧姆接触电极104，具体为依次沉淀的钛、铝、镍、金，并用快速退火炉在800度到900度下进行合金，以降低欧姆接触电极104的电阻率；
5. 用光刻的方法露出N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103，用电子束蒸发方法蒸发金属，具体为钛、铂、金，在极化掺杂的N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103表面形成肖特基接触电极105。
所述衬底层101为蓝宝石衬底。
实施例2
由图2所示可知，与实施例1不同的是，所述N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103的Al组分从N+型GaN层102的界面处开始递减。
所述N+型GaN层102分为两部分设于衬底层101两端，其上分别设有欧姆接触电极104，其中一个N+型GaN层102上还设有N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103，该N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103上设有肖特基接触电极105，在肖特基接触电极105和位于另一侧的欧姆接触电极104的上表面设有空气桥悬臂106，在空气桥悬臂106下方为深槽隔离区107。
在空气桥悬臂106下方，设有深槽隔离区107，将与空气桥悬臂106相连的肖特基接触电极105、欧姆接触电极104以及下面的N+型GaN层102、N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103分隔开。
本实施例中衬底层101为 SiC（还可以为Si等其他半导体材料）；所述欧姆接触电极104由蒸发金属层通过高温快速退火形成，此蒸发金属层由依次沉积的钛、铝、镍、金形成，所述肖特基接触电极105由钛、铂、金依次沉淀的蒸发金属层形成。
该实施例的制作方法为：
1. 准备半绝缘的衬底层101；
2. 在衬底层101上外延生长高掺杂的N+型GaN层102，掺杂元素为Ⅳ族元素，如Si元素，掺杂浓度控制在1016cm-3到1019cm-3；
3. 在102层上采用极化掺杂方法外延生长N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103，此层中Al组分从N+型GaN层5的界面处开始采用渐变掺杂方法递减生长，即 Al组分的变化趋势为：从界面处开始逐渐变小；
4. 用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺去掉N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103两端的部分，露出N+型GaN层102，在N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103和N+型GaN层102之间形成台阶，在裸露的N+型GaN层102上采用电子束蒸发方法蒸发金属层制成欧姆接触电极104，具体为依次沉淀的钛、铝、镍、金，并用快速退火炉在800度到900度下进行合金，以降低欧姆接触电极104的电阻率；
5. 用光刻的方法露出未刻蚀的N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103，用电子束蒸发金属，如钛、铂、金，在极化掺杂的N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103表面形成肖特基接触电极105；
6.用光刻的方法露出要刻蚀的材料，采用ICP刻蚀的方法，刻蚀掉N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103和GaN层102，如图3所示，实现深槽隔离区107，需要时可以稍微过刻蚀一些衬底层101；
7.涂一层PMGI S15型光刻胶，光刻并显影后留下深槽附近的胶，平放到热板上，热板温度为220摄氏度，维持30分钟左右，光刻胶变为液态，通过重力作用流入深槽隔离区107的深槽中，将槽填平；
8.涂660型光刻胶，光刻露出空气桥悬臂6的形状，通过磁控溅射Ti/Au，电镀Au,之后腐蚀磁控溅射金属，留下了电镀层，去掉光刻胶和PMGI S15胶后搭建出空气桥悬臂106，把肖特基接触电极105引到欧姆接触电极104上；
9.用研磨法将衬底层101减薄至50um以下，进行分片和裂片，最终得到分立器件。
实施例3
如图3所示可知，与实施例2不同的是，所述N+型GaN层102分为两部分设于衬底层101两端，N+型GaN层102上设有N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103，N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103设有欧姆接触电极104，在其中一侧的N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103上设有台阶，欧姆接触电极104和肖特基接触电极105分别位于不同的台阶上，在肖特基接触电极105和位于另一侧的欧姆接触电极104的上表面设有空气桥悬臂106。
在制作工艺上也存在不同，与实施例2中步骤4相对应的，该实施例的步骤4应为：用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺去掉N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103的一部分，厚度为100~200nm，露出N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103的底部，在N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103上形成台阶，在裸露的N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层103底部上采用电子束蒸发方法蒸发金属层制成欧姆接触电极104，具体为依次沉淀的钛、铝、镍、金，并用快速退火炉在400度到700度下进行合金，以降低欧姆接触电极104的电阻率。
本发明采用极化掺杂方式在N+型GaN层上生长N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层，提高了GaN材料的迁移率，从而减小了肖特基二极管的串联电阻，提高了其工作频率，采用点支撑空气桥结构和衬底减薄工艺进一步减小了寄生电容，进而提高了毫米波和太赫兹范围内倍频电路的工作频率和输出功率。
Claims (8)
1.一种基于极化掺杂的GaN肖特基二极管，其特征在于包括用于支撑整个GaN肖特基二极管的半绝缘的衬底层（101）、在所述衬底层（101）上生长的高掺杂的N+型GaN层（102）以及在N+型GaN层（102）上采用极化掺杂生长的N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层（103）；所述N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层（103）的Al组分从N+型GaN层（102）的界面处开始非均匀分布；在所述二极管上还设有欧姆接触电极（104）和肖特基接触电极（105）。
2.根据权利要求1所述的基于极化掺杂的GaN肖特基二极管，其特征在于所述N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层（103）的Al组分的分布方式为从N+型GaN层（102）的界面处开始递增或递减。
3.根据权利要求1或2所述的基于极化掺杂的GaN肖特基二极管，其特征在于所述N+型GaN层（102）分为两部分设于衬底层（101）两端，其上分别设有欧姆接触电极（104），其中一个N+型GaN层（102）上还设有N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层（103），该N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层（103）上设有肖特基接触电极（105），在肖特基接触电极（105）和位于另一侧的欧姆接触电极（104）的上表面设有空气桥悬臂（106），在空气桥悬臂（106）下方为深槽隔离区（107）。
4.根据权利要求1或2所述的基于极化掺杂的GaN肖特基二极管，其特征在于所述N+型GaN层（102）分为两部分设于衬底层（101）两端，两端的N+型GaN层（102）上均设有N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层（103），其中一侧的N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层（103）设有欧姆接触电极（104），在另一侧的N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层（103）上设有台阶，欧姆接触电极（104）和肖特基接触电极（105）分别位于不同的台阶上，在肖特基接触电极（105）和位于另一侧的欧姆接触电极（104）的上表面设有空气桥悬臂（106），在空气桥悬臂（106）下方为深槽隔离区（107）。
5.根据权利要求3所述的基于极化掺杂的GaN肖特基二极管，其特征在于所述N+型GaN层（102）的掺杂元素为Ⅳ族元素，掺杂浓度为1016cm-3到1019cm-3。
6.根据权利要求1或2所述的基于极化掺杂的GaN肖特基二极管，其特征在于在所述N+型GaN层（102）上生长有欧姆接触电极（104）；在所述N-型AlxGa1-xN（0＜x≤1）层（103）上生长有肖特基接触电极（105）。
7.根据权利要求1所述的基于极化掺杂的GaN肖特基二极管，其特征在于所述N+型GaN层（102）的掺杂元素为Ⅳ族元素，掺杂浓度为1016cm-3到1019cm-3。
8.根据权利要求1所述的基于极化掺杂的GaN肖特基二极管，其特征在于所述衬底层（101）为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底。
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