CN105679838A - 基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的太赫兹肖特基二极管及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的GaN太赫兹肖特基二极管及其制作方法，主要解决现有GaN肖特基二极管掺杂迁移率低，串联电阻大，截止频率低的问题。包括主体部分和辅体部分，主体部分自下而上包括：(1)半绝缘SiC衬底、(2)GaN缓冲层、(3)AlGaN/GaN异质结多沟道层、(4)GaN帽层，辅体部分包括：(5)欧姆接触电极(阴极)、(6)肖特基势垒接触电极(阳极)、(7)空气桥、(8)背金层。其中：AlGaN/GaN异质结多沟道层采用AlGaN/GaN类超晶格结构，该类超晶格有2到6个周期，每个周期中GaN层和AlGaN层的厚度均为10-20nm，且AlGaN层中的Al组分为30％。本发明能够避免传统的n型掺杂工艺，利用极化形成的多层二维电子气沟道来提高电子迁移率，减小串联电阻，提高截止频率，适用于太赫兹频段工作。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，特别涉及宽带隙半导体GaN材料的肖特基二极管，可用于超高频、大功率器件制作。
技术背景
作为第三代半导体材料，GaN具有禁带宽度大、电子饱和速度大、临界击穿场强高、化学性质稳定等特点，是制造高频大功率器件的理想材料。在晶体三极管器件还未实现太赫兹频率功率输出性能突破的现状下，基于甚高频二极管电路技术在太赫兹信号源和太赫兹信号探测系统中仍然起着至关重要的作用。相比于单势垒变容二极管和异质结势垒变容二极管，肖特基势垒二极管(SBD)在太赫兹技术中发展更为迅速。
目前，基于GaAs化合物半导体材料的SBD已进入应用阶段，但是其微弱的功率信号处理能力仍是太赫兹系统应用中的技术瓶颈。与GaAs材料相比，GaN具有较大的带隙宽度、强击穿电场和高饱和电子迁移速度等优越的物理特性，非常适合制备大输出功率的肖特基倍频二极管。
目前，GaN基太赫兹SBD的研究刚刚起步，国际上的研究成果仅限于实验室阶段。目前的技术瓶颈在于：传统的SBD结构中，由于GaN材料的电子迁移率明显低于GaAs，故意掺杂使得电子迁移率更低，因此通过工艺降低SBD总串联电阻Rs的难度极大，造成GaN基SBD最高截止频率明显低于GaAs基SBD。但理论计算表明，GaN基SBD具备突出的大功率信号处理能力和较低的噪声系数，使其THz探测的功率处理能力大大提高。
发明内容
本发明针对传统SBD结构的不足，提供一种基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的GaN太赫兹肖特基二极管及其制造方法。该器件通过构建AlGaN/GaN异质结沟道，使电子在异质结二维电子气沟道中流动，避免传统n型掺杂导致迁移率降低。同时采用多沟道结构，均匀沟道电子浓度，形成电子低阻通道，降低串联电阻，提高GaN肖特基二极管的截止频率。
本发明的技术方案如下：
一、基于类超晶格AlGaN/GaN异质结多沟道结构的肖特基二极管结构如图1所示，包括主体部分和辅体部分，主体部分自下而上包括：(1)半绝缘SiC衬底、(2)GaN缓冲层、(3)AlGaN/GaN异质结多沟道层、(4)GaN帽层，辅体部分包括：(5)欧姆接触金属电极(阴极)、(6)肖特基势垒接触电极(阳极)、(7)空气桥、(8)背金层。二极管阴极和阳极结构俯视图如图2所示。
所述AlGaN/GaN异质结多沟道层采用AlGaN/GaN类超晶格结构，如图3所示，该类超晶格设有2-6个周期，每个周期中的AlGaN层厚度为10-20nm，且AlGaN层中的Al组分为30％，GaN层厚度为10-20nm。
作为优选，所述半绝缘SiC衬底为4H-SiC型或6H-SiC型半绝缘型衬底，背面减薄至100～150μm。
作为优选，所述GaN缓冲层的厚度为2～3μm。
作为优选，所述GaN帽层的厚度为5～10nm，掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
二、制作上述GaN肖特基二极管的方法，包括如下步骤：
(1)外延生长GaN缓冲层：采用金属有机物化学气相淀积的方法，在半绝缘型SiC衬底上，外延生长厚度为2～3μm的非故意掺杂GaN缓冲层；
(2)利用MOCVD技术外延生长厚度为10-20nm的GaN层，非故意掺杂；
(3)继续采用MOCVD技术，外延生长Al组分为30％的AlGaN层，该GaN层与AlGaN层构成类超晶格的一个周期，非故意掺杂；
(4)重复步骤(2)、(3)，生长2-6个周期，形成AlGaN/GaN异质结多沟道；
(5)利用MOCVD技术外延生长厚度为5-10nm，掺杂浓度为1～2×1018cm-3的GaN帽层；
(6)采用ICP刻蚀法在GaN帽层上刻蚀出肖特基接触区，刻蚀深度到异质结多沟道层；
(7)光刻刻出深槽隔离区域，用ICP刻蚀法刻蚀异质结多沟道层，刻蚀到GaN缓冲层，形成深槽隔离区；
(8)用电子束蒸发法在GaN帽层上淀积金属Ti/Al/Ni/Au，采用快速退火工艺形成欧姆接触电极；
(9)用电子束蒸发法在异质结多沟道层上淀积Ni/Au等金属，采用金属剥离工艺形成肖特基接触电极；
(10)用电子束蒸发法淀积金属Ti/Au,形成起镀层；
(11)用660型光刻胶光刻出空气桥区域、阳极和阴极电极区域；
(12)电镀Au；
(13)去除所有光刻胶，剥离去除多余金属，留下电镀层，形成空气桥，同时形成阳极和阴极电极的焊盘区，
(14)背面减薄，蒸金，完成器件的制作。
本发明具有如下优点：
A.本发明由于采用了AlGaN/GaN异质结二维电子气作为电子沟道层能起到提高电子迁移率，降低串联电阻的作用
GaN材料的电子迁移率原本低于GaAs，而传统故意掺杂GaN材料体迁移率更低，导致GaN肖特基二极管截止频率远远低于GaAs器件。运用异质结二维电子气可以避免传统故意掺杂带来的影响，提高电子迁移率，降低串联电阻，进而提高肖特基二极管的截止频率。由于AlGaN与GaN的禁带宽度不同，因此在极化效应的作用下，AlGaN/GaN异质结的GaN一侧会形成二维电子气；二维电子气中的迁移率远高于GaN材料的体迁移率。
B.本发明采用了AlGaN/GaN类超晶格结构形成多个低电阻通道，显著减小串联电阻，提高截止频率。
厚势垒多周期类超晶格结构可以增加沟道数量，并均匀沟道电子浓度高密度。使得2DEG直接延伸至欧姆接触区，形成低阻电子通道，显著减小电阻，提高截止频率。
C.本发明的GaN肖特基二极管具有平面空气桥结构，完全兼容传统肖特基二极管的封装工艺，非常有利于太赫兹大功率倍频二极管的制作。
附图说明
图1是本发明GaN肖特基二极管的剖面结构图；
图2是本发明GaN肖特基二极管的俯视图；
图3是本发明中的AlGaN/GaN异质结多沟道层放大结构示意图；
图4是本发明制作GaN肖特基二极管的工艺流程图。
具体实施方式
参照图1和图2，基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的太赫兹肖特基二极管，包括主体部分和辅体部分，主体部分自下而上包括：(1)半绝缘SiC衬底、(2)GaN缓冲层、(3)AlGaN/GaN异质结多沟道层、(4)GaN帽层，辅体部分包括：(5)欧姆接触金属电极(阴极)、(6)肖特基势垒接触电极(阳极)、(7)空气桥、(8)背金层。
参照图4，基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的肖特基二极管的制作方法，给出如下三种实施例：
实施例1：
制作4H-SiC半绝缘型衬底的异质结双沟道太赫兹肖特基二极管。
步骤1，将直径为2英寸的4H-SiC半绝缘型衬底放入MOCVD反应室，设定生长温度为930℃，向反应室中同时通入三甲基镓与氮气，在保持压力为40Torr的条件下，生长厚度为2μm的GaN缓冲层。
步骤2，向反应室中同时通入三甲基镓和氮气，在压力为400Torr、温度为1000℃的条件下，外延生长厚度为20nm的GaN沟道层。
步骤3，向反应室中同时通入三甲基镓、氮气和三甲基铝，在压力为400Torr、温度为1060℃的条件下，外延生长厚度为10nm的Al组分为30％的AlGaN势垒层。
步骤4，向反应室中同时通入三甲基镓和氮气，在压力为400Torr、温度为1000℃的条件下，外延生长厚度为20nm的GaN沟道层。
步骤5，向反应室中同时通入三甲基镓、氮气和三甲基铝，在压力为400Torr、温度为1060℃的条件下，外延生长厚度为10nm的Al组分浓度为30％AlGaN势垒层，形成基于AlGaN/GaN异质结双沟道结构。
步骤6，向反应室中同时通入三甲基镓和氮气和n型掺杂源—硅烷，在压力为400Torr、温度为930℃的条件下，生长厚度为10nm掺杂浓度为1.0×1018cm-3的GaN帽层。
步骤7，将样品从MOCVD反应室中拿出，用感应耦合等离子体刻蚀ICP法刻蚀肖特基接触区，其中功率源的功率为350W,偏压功率源的功率为120W，刻蚀时腔体的压强为4mTorr，温度为150℃，刻蚀到异质结多沟道层为止，形成肖特基接触区。
步骤8，继续采用感应耦合等离子体刻蚀ICP法刻蚀深槽隔离区，其中功率源的功率为350W，偏压功率源的功率为120W，刻蚀时腔体的压强为4mTorr，温度为150℃，刻蚀到GaN缓冲层表面为止，制作深槽隔离区，形成台阶。
步骤9，电子束蒸发法在GaN帽层上淀积金属Ti/Al/Ni/Au，经过金属剥离工艺形成电极。
步骤10，用快速退火炉在800～900℃下进行合金，用氩气做保护气体，在950℃的温度下，对整个器件进行50秒钟的快速热退火处理，形成欧姆接触电极。
步骤11，将样品从快速退火炉中拿出，在真空条件下用电子束蒸发法在异质结多沟道层上淀积金属Ni/Au，经过金属剥离工艺在表面形成肖特基接触电极。
步骤12，用电子束蒸发法在样品表面淀积金属Ti/Au,形成起镀层。
步骤13，用660型光刻胶光刻并显影，光刻出空气桥区域、阳极和阴极电极区域。
步骤14，在起镀层表面电镀厚度为2μm的Au。
步骤15，去除所有光刻胶，剥离去除多余金属，留下电镀层，形成空气桥，同时形成阳极和阴极电极的焊盘区。
步骤16，SiC衬底背面减薄至150μm，蒸金，完成器件的制作，最终形成的肖特基二极管管芯剖面如图1所示。
实施例2：制作6H-SiC半绝缘型衬底的异质结双沟道太赫兹肖特基二极管。
步骤一，外延生长GaN缓冲层：
采用MOCVD的方式，在保持压力为40Torr、温度为930℃的条件下，向反应室中同时通入三甲基铝与氮气，在直径为2英寸的6H-SiC半绝缘型衬底上生长厚度为3μm的GaN缓冲层。
步骤二，外延生长异质结双沟道层：
3.1)向反应室中同时通入三甲基镓和氮气，在压力为400Torr、温度为1050℃的条件下，外延生长厚度为10nm的GaN沟道层；
3.2)向反应室中同时通入三甲基镓、氮气和三甲基铝，在压力为400Torr、温度为1110℃的条件下，外延生长厚度为20nm的Al组分浓度为30％AlGaN势垒层；
3.3)向反应室中同时通入三甲基镓和氮气，在压力为400Torr、温度为1050℃的条件下，外延生长厚度为10nm的GaN沟道层；
3.4)向反应室中同时通入三甲基镓、氮气和三甲基铝，在压力为400Torr、温度为1110℃的条件下，外延生长厚度为20nm的Al组分浓度为30％AlGaN势垒层，形成基于AlGaN/GaN异质结的双沟道结构。
步骤三，外延生长GaN帽层：
向反应室中同时通入三甲基镓和氮气和n型掺杂源—硅烷，在压力为400Torr、温度为930℃的条件下，生长厚度为10nm掺杂浓度为1.0×1018cm-3的GaN帽层。
步骤四，刻蚀形成肖特基接触区：
将样品从MOCVD反应室中拿出，用感应耦合等离子体刻蚀ICP法刻蚀肖特基接触区，其中功率源的功率为350W,偏压功率源的功率为120W，刻蚀时腔体的压强为4mTorr，温度为150℃，刻蚀到异质结多沟道层为止，形成肖特基接触区。
步骤五，刻蚀形成台阶：
继续采用感应耦合等离子体刻蚀ICP法刻蚀深槽隔离区，其中功率源的功率为350W,偏压功率源的功率为120W，刻蚀时腔体的压强为4mTorr，温度为150℃，刻蚀到GaN缓冲层表面为止，制作深槽隔离区，形成台阶。
步骤六，形成欧姆接触电极：
6.1)电子束蒸发法在GaN帽层上依次淀积金属Ti/Al/Ni/Au，经过金属剥离工艺形成电极；
6.2)用快速退火炉在800～900℃下进行合金，用氩气做保护气体，在950℃的温度下，对整个器件进行50秒钟的快速热退火处理，形成欧姆接触电极。
步骤七，刻蚀并形成肖特基电极：
将样品从快速退火炉中拿出，在真空条件下用电子束蒸发法在异质结多沟道层上淀积金属Ni/Au，经过金属剥离在表面形成肖特基接触电极。
步骤八，制作空气桥：
8.1)用电子束蒸发法在样品表面淀积金属Ti/Au,形成起镀层；
8.2)用660型光刻胶光刻并显影，光刻出空气桥区域、阳极和阴极电极区域；
8.3)在起镀层表面电镀厚度为3μm的Au；
8.4)去除所有光刻胶，剥离去除多余金属，留下电镀层，形成空气桥，同时形成阳极和阴极电极的焊盘区，
步骤九，减薄衬底：
对6H-SiC半绝缘型衬底背面进行减薄，直至衬底厚度为100μm，蒸金，完成器件的制作，最终形成的肖特基二极管管芯剖面如图1所示。
实施例3：制作6H-SiC半绝缘型衬底的异质结四沟道肖特基二极管。
步骤A，制作GaN缓冲层：
采用MOCVD的方式，在保持压力为40Torr、温度为930℃的条件下，向反应室中同时通入三甲基铝与氮气，在6H-SiC半绝缘型衬底上生长厚度为2μm的GaN缓冲层。
步骤B，外延异质结四沟道层：
向反应室中同时通入三甲基镓、氮气和三甲基铝，且三甲基铝的通入计量先线性增加后停止通入，在保持压力为600Torr，温度为1100℃的条件下，外延生长4个周期的AlGaN/GaN类超晶格，每个周期中的AlGaN势垒层厚度为20nm，GaN沟道层厚度为20nm，AlGaN势垒层中Al组分为30％，形成异质结四沟道层。
步骤C，外延生长GaN帽层：
向反应室中同时通入三甲基镓和氮气和n型掺杂源—硅烷，在压力为400Torr、温度为930℃的条件下，生长厚度为10nm掺杂浓度为1.0×1018cm-3的GaN帽层。
步骤D，刻蚀形成肖特基接触区：
将样品从MOCVD反应室中拿出，用感应耦合等离子体刻蚀ICP法刻蚀肖特基接触区，其中功率源的功率为350W,偏压功率源的功率为120W，刻蚀时腔体的压强为4mTorr，温度为150℃，刻蚀到异质结多沟道层为止，形成肖特基接触区。
步骤E，刻蚀形成台阶：
继续采用感应耦合等离子体刻蚀ICP法刻蚀深槽隔离区，其中功率源的功率为350W,偏压功率源的功率为120W，刻蚀时腔体的压强为4mTorr，温度为150℃，刻蚀到GaN缓冲层表面为止，制作深槽隔离区，形成台阶。
步骤F，形成欧姆接触电极：
电子束蒸发法在GaN帽层上依次淀积金属Ti/Al/Ni/Au，经过金属剥离工艺形成电极；用快速退火炉在800～900℃下进行合金，用氩气做保护气体，在950℃的温度下，对整个器件进行50秒钟的快速热退火处理，形成欧姆接触电极。
步骤G，刻蚀并形成肖特基电极：
将样品从快速退火炉中拿出，在真空条件下用电子束蒸发法在异质结多沟道层上淀积金属Ni/Au，经过金属剥离在表面形成肖特基接触电极。
步骤H，制作空气桥：
用电子束蒸发法在样品表面淀积金属Ti/Au,形成起镀层；用660型光刻胶光刻并显影，光刻出空气桥区域、阳极和阴极电极区域；在起镀层表面电镀Au；去除所有光刻胶，剥离去除多余金属，留下电镀层，形成空气桥，同时形成阳极和阴极电极的焊盘区。
步骤I，减薄衬底和蒸金：
对6H-SiC半绝缘型衬底进行背面减薄至150μm，然后蒸金，完成器件的制作，最终形成的肖特基二极管管芯剖面如图1所示。
Claims (6)
1.一种基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的太赫兹肖特基二极管，包括主体部分和辅体部分，主体部分自下而上包括：(1)半绝缘SiC衬底、(2)GaN缓冲层、(3)AlGaN/GaN异质结多沟道层、(4)GaN帽层，辅体部分包括：(5)欧姆接触金属电极(阴极)、(6)肖特基势垒电极(阳极)、(7)空气桥、(8)背金层。
其特征在于：AlGaN/GaN异质结多沟道层(3)采用AlGaN/GaN类超晶格结构，该类超晶格设有2～6个周期，每个周期中的AlGaN层厚度为10～20nm，且AlGaN层中的Al组分为30％，GaN层厚度为10～20nm。
2.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN异质结多沟道GaN太赫兹肖特基二极管，其特征在于：除GaN帽层需要掺杂以形成欧姆接触外，其他半导体材料均不需要n型掺杂，而是利用极化效应形成的二维电子气多沟道层提升电子迁移率从而减小串联电阻。
3.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN异质结多沟道GaN太赫兹肖特基二极管，其特征在于半绝缘SiC衬底(1)选用4H-SiC型或6H-SiC型半绝缘型衬底。
4.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN异质结多沟道GaN太赫兹肖特基二极管，其特征在于GaN缓冲层(2)的厚度为2～3μm，非故意掺杂。
5.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN异质结多沟道GaN太赫兹肖特基二极管，其特征在于GaN帽层(4)的厚度为5～10nm，掺杂浓度为1～2×1018cm-3。
6.一种基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的GaN太赫兹肖特基二极管的制作方法，按如下过程进行：
(1)外延生长GaN缓冲层：采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)的方法，在半绝缘型SiC衬底上，外延生长厚度为2～3μm的非故意掺杂GaN缓冲层；
(2)采用MOCVD技术外延生长厚度为10～20nmGaN层，非故意掺杂；
(3)继续采用MOCVD技术，外延生长厚度为10～20nm、Al组分为30％的AlGaN层，该GaN层与AlGaN层构成类超晶格的一个周期，非故意掺杂；
(4)重复步骤(2)、(3)，生长2～6个周期，形成AlGaN/GaN异质结多沟道；
(5)利用MOCVD技术外延生长厚度为5～10nm、掺杂浓度为1～2×1018cm-3的GaN帽层；
(6)采用ICP刻蚀法在GaN帽层上刻蚀出肖特基接触区，刻蚀深度到AlGaN/GaN异质结多沟道层；
(7)光刻刻出深槽隔离区域，用ICP刻蚀法刻蚀AlGaN/GaN异质结多沟道层，刻蚀到GaN缓冲层，形成深槽隔离区；
(8)用电子束蒸发法在GaN帽层上淀积金属Ti/Al/Ni/Au，采用快速退火工艺形成欧姆接触电极；
(9)用电子束蒸发法在异质结多沟道层上淀积Ni/Au等金属，采用金属剥离工艺形成肖特基接触电极；
(10)用电子束蒸发法淀积金属Ti/Au，形成起镀层；
(11)用660型光刻胶光刻出空气桥区域、阳极和阴极电极区域；
(12)电镀Au；
(13)去除所有光刻胶，剥离去除多余金属，留下电镀层，形成空气桥，同时形成阳极和阴极电极的焊盘区。
(14)衬底背面减薄蒸金，完成器件的制作。
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