CN109346530A - 基于石墨烯插入层结构的GaN基肖特基势垒二极管SBD器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯插入层结构的GaN基肖特基势垒二极管SBD器件。主要解决现有技术GaN外延层质量不高的问题。其自下而上包括蓝宝石衬底层(1)、磁控溅射氮化铝层(2)、石墨烯层(3)和重掺杂N型GaN层(4)；重掺杂N型GaN层(4)的上方设有轻掺杂N型GaN层(5)，两侧为欧姆电极(7)；轻掺杂N型GaN层(5)的上方设有肖特基金属阻挡层(8)；轻掺杂N型GaN层(5)与欧姆电极(7)之间及轻掺杂N型GaN层的上方分布有SiO2钝化层(6)。本发明通过增设磁控溅射氮化铝层和石墨烯层，提高了GaN外延层的质量，从而提高了SBD的电学特性，可用于制作GaN基半导体器件。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，更进一步涉及一种GaN基肖特基势垒二极管SBD器件制备方法可用于半导体器件的制作。
背景技术
以GaN为代表的第三代半导体具有禁带宽度较大，热传导率高，击穿电压高，电学性质良好等特点，广泛应用于半导体电力器件中。GaN基半导体器件具有转换速率高及低损失的特点，因此成为高效率的新一代半导体器件。
由于GaN外延层材料与衬底材料的晶格常数相差较大，在生长GaN外延层材料时容易形成高密度的晶格缺陷。这些缺陷严重影响了肖特基势垒二极管SBD器件的电学性质。因此，生长低缺陷密度的GaN外延层材料成为GaN基半导体器件研究的关键问题。
由于石墨烯与GaN的晶格常数相差不大，晶格失配较小，因此石墨烯插入层能够降低GaN外延层的缺陷密度。而且石墨烯插入层可为肖特基势垒二极管SBD器件从衬底材料上剥离提供可能。
英诺赛科(珠海)科技有限公司在申请专利“SBD器件及其制备方法”(申请号：201611184730.7，公布号：CN 106784022 A)中公开了一种制作GaN基肖特基势垒二极管SBD器件的制备方法。该方法具体步骤为：(1)制造金属层；(2)设置在所述金属层上的缓冲层；(3)设置在所述缓冲层上的重掺杂n-GaN层；(4)设置在所述重掺杂n-GaN层上的微量掺杂n-GaN层；(5)设置在微量掺杂n-GaN层上的肖特基阻挡层。但是，该方法由于直接在缓冲层上生长GaN外延层，GaN在生长过程中会出现由于晶格失配产生的较高缺陷密度，从而降低了肖特基势垒二极管的电学性能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种基于石墨烯插入层结构的GaN基肖特基势垒二极管SBD器件制备方法，以提高肖特基势垒二极管SBD器件的电学性能。
为实现上述目的，本发明的技术思路是：通过在蓝宝石衬底上磁控溅射一层氮化铝薄膜，缓解衬底与石墨烯之间由于晶格失配产生的应力；通过石墨烯插入层的缓冲作用降低GaN外延层缺陷密度，提高GaN外延层质量；通过调节各层生长过程中的生长条件，其中包括：压力、流量、温度，以及各层的生长厚度，减少石墨烯与GaN的晶格缺陷，提高肖特基势垒二极管SBD器件的电学性能。其实现方案如下:
1.一种基于石墨烯插入层结构的GaN基肖特基势垒二极管SBD器件，包括蓝宝石衬底层(1)、重掺杂N型GaN层(4)、轻掺杂N型GaN层(5)、SiO2钝化层(6)、欧姆电极(7)和肖特基金属阻挡层(8)，其特征在于在蓝宝石衬底层(1)与重掺杂N型GaN层(4)之间依次设有磁控溅射氮化铝层(2)和石墨烯层(3)。
进一步,所述轻掺杂N型GaN层位于重掺杂N型GaN层之上，欧姆电极位于重掺杂N型GaN层上方的两侧，肖特基金属阻挡层位于轻掺杂N型GaN层的上方，SiO2钝化层分布在轻掺杂N型GaN层与欧姆电极之间及轻掺杂N型GaN层的上方。
2.一种制备基于石墨烯插入层结构的GaN基肖特基势垒二极管SBD器件的方法,包括:
1)在蓝宝石衬底上磁控溅射氮化铝，得到溅射氮化铝基板；
2)生长、转移石墨烯；
2a)采用化学气相淀积法，在金属衬底上生长石墨烯层；
2b)将生长石墨烯的金属衬底置于64g/L的过硫酸铵溶液中浸泡12小时去除金属衬底，得到无金属衬底的石墨烯层；
2c)将石墨烯层转移到溅射氮化铝基板上，得到覆盖石墨烯的溅射氮化铝基板；
3)先将覆盖石墨烯的溅射氮化铝基板置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，再将反应室温度升到1045℃，通入镓源、氮源和N型掺杂源，在热处理后的基板上生长厚度300-600nm，电子浓度为1×1019-5×1019cm-3的N型GaN层，得到重掺杂N型GaN层；
4)保持反应室温度不变，调整N型掺杂源通入流量，在重掺杂N型GaN层上生长厚度为300-600nm，电子浓度为1×1018-5×1018cm-3的N型GaN层，得到轻掺杂N型GaN层；
5)停止反应室加热和通气，将得到的基于石墨烯插入层结构的肖特基势垒二极管SBD外延层冷却至室温，完成肖特基势垒二极管SBD外延层的制备。
6)对轻掺杂N型GaN层的一部分采用干法刻蚀进行台面刻蚀，直至露出重掺杂N型GaN层的一部分；
7)在轻掺杂N型GaN层和重掺杂N型GaN层露出的部分上采用化学气相淀积法生长厚度为200-300nm的SiO2钝化层；
8)对SiO2钝化层进行干法刻蚀，直至露出轻掺杂N型GaN层或重掺杂N型GaN层；
9)在露出的轻掺杂N型GaN层或重掺杂N型GaN层分别进行金属蒸镀，形成肖特基金属阻挡层或欧姆接触电极，并对金属层进行高温退火合金化，完成器件制备。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，本发明由于采用石墨烯作为插入层，为后续生长GaN外延层提供了良好的缓冲，不仅提升了GaN外延层的质量，提高了肖特基势垒二极管SBD器件的电学性能。
第二，本发明由于采用磁控溅射氮化铝层，使得蓝宝石衬底与石墨烯层的匹配更加容易。
附图说明
图1是本发明基于石墨烯插入层结构的GaN基肖特基势垒二极管结构图；
图2是本发明制作图1器件的实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案和效果做进一步的说明。
参照图1，本发明基于石墨烯插入层结构的GaN基肖特基势垒二极管SBD器件共包括八层，分别为蓝宝石衬底层1、磁控溅射氮化铝层2、石墨烯层3、重掺杂N型GaN层4、轻掺杂N型GaN层5、SiO2钝化层6、欧姆电极7、肖特基金属阻挡层8。其中蓝宝石衬底层1、磁控溅射氮化铝层2、石墨烯层3、重掺杂N型GaN层4、轻掺杂N型GaN层5自下而上依次设置，欧姆电极7位于重掺杂N型GaN层4上方的两侧，肖特基金属阻挡层8位于轻掺杂N型GaN层5的上方，SiO2钝化层6分布在轻掺杂N型GaN层5与欧姆电极7之间及轻掺杂N型GaN层5的上方。
所述磁控溅射氮化铝层2厚度为30-60nm,石墨烯层3为单层石墨烯或双层石墨烯，重掺杂N型GaN层4厚度为300-600nm,轻掺杂N型GaN层5厚度为300-600nm,SiO2钝化层6厚度为200nm,欧姆电极7和肖特基金属阻挡层8所用的蒸镀金属为Ni/Au，金属Ni的厚度为30nm,金属Au的厚度为300nm。
参照图2，给出如下两种实施例：
实施例1：制备石墨烯插入层为单层、溅射氮化铝厚度为30nm的GaN基肖特基势垒二极管SBD器件。
步骤1.磁控溅射氮化铝，得到溅射氮化铝的基板。
1a)将蓝宝石衬底置于磁控溅射设备中，设反应室压力为1Pa，并通入氮气和氩气5min，对蓝宝石衬底进行清洗处理，得到清洗后的蓝宝石衬底；
1b)以99.999％纯度的铝为靶材，采用射频磁控溅射方法，在清洗后的蓝宝石衬底上溅射30nm厚的氮化铝薄膜，得到溅射氮化铝的基板。
步骤2.生长、转移石墨烯。
2a)采用化学气相淀积法，在金属衬底上生长单层石墨烯；
2b)将单层石墨烯置于64g/L的过硫酸铵溶液中浸泡12小时，以去除金属衬底，得到去除金属衬底的单层石墨烯；
2c)将去除金属衬底的单层石墨烯转移到溅射氮化铝的基板上，得到覆盖石墨烯的溅射氮化铝基板。
步骤3.在覆盖石墨烯的溅射氮化铝基板上生长N型GaN层。
3a)将覆盖石墨烯的溅射氮化铝基板置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中；
3b)将反应室温度升到1045℃，并同时通入镓源、氮源和N型掺杂源，在覆盖石墨烯的溅射氮化铝基板上生长厚度为300nm，电子浓度为1×1019cm-3的N型GaN层，得到重掺杂N型GaN层。
3c)保持反应室温度不变，调整N型掺杂源的流量，在重掺杂N型GaN层上生长厚度为300nm，电子浓度为1×1018cm-3的N型GaN层，得到轻掺杂N型GaN层。
3d)停止反应室加热和通气，将得到的N型GaN层冷却至室温。
步骤4.在N型GaN层生长SiO2钝化层。
4a)对轻掺杂N型GaN层的两侧采用干法刻蚀进行台面刻蚀，直至露出重掺杂N型GaN层；
4b)在轻掺杂N型GaN层和重掺杂N型GaN层露出的部分上采用化学气相淀积法生长厚度为200nm的SiO2钝化层。
步骤5.金属蒸镀肖特基阻挡层和欧姆接触电极。
5a)对SiO2钝化层的两侧和中间部分进行干法刻蚀，直至露出轻掺杂N型GaN层或重掺杂N型GaN层；
5b)在露出的轻掺杂N型GaN层上进行金属蒸镀，形成欧姆接触电极，在露出的重掺杂N型GaN层上进行金属蒸镀，形成肖特基金属阻挡层，并进行高温退火合金化，所用金属均为Ni/Au，且金属Ni的生长厚度为30nm，金属Au的生长厚度为300nm，完成基于石墨烯插入层结构的GaN基肖特基势垒二极管SBD器件制备。
实施例2：制备石墨烯插入层为双层、溅射氮化铝厚度为40nm的GaN基肖特基势垒二极管SBD器件
步骤一.磁控溅射氮化铝，得到溅射氮化铝的基板。
首先，将蓝宝石衬底置于磁控溅射系统中，设反应室压力为1Pa，并向反应室同时通入氮气和氩气5min，对蓝宝石衬底进行清洗处理，得到清洗后的蓝宝石衬底；
然后，再以99.999％纯度的铝为靶材，采用射频磁控溅射方法，在蓝宝石衬底上溅射40nm厚的氮化铝薄膜，得到溅射氮化铝的基板。
步骤二.生长、转移石墨烯。
首先，采用化学气相淀积法，在金属衬底生长两片单层石墨烯；
然后，将这两片单层石墨烯置于64g/L的过硫酸铵溶液中浸泡12小时，去除金属衬底，得到两片去除金属衬底的单层石墨烯；
最后，将两片去除金属衬底的单层石墨烯依次转移到溅射氮化铝的基板上，得到覆盖双层石墨烯的溅射氮化铝基板。
步骤三.在覆盖双层石墨烯的溅射氮化铝基板上生长N型GaN层。
首先，将覆盖双层石墨烯的溅射氮化铝基板置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中；
然后，将反应室温度升到1045℃，并同时通入镓源、氮源和N型掺杂源，在覆盖双层石墨烯的溅射氮化铝基板上生长厚度为400nm，电子浓度为3×1019cm-3的N型GaN层，得到重掺杂N型GaN层；
然后，保持反应室温度不变，调整N型掺杂源的流量，在重掺杂N型GaN层上生长厚度为400nm，电子浓度为3×1018cm-3的N型GaN层，得到轻掺杂N型GaN层；
最后，停止反应室加热和通气，将得到的N型GaN层冷却至室温。
步骤四.在N型GaN层生长SiO2钝化层。
首先，对轻掺杂N型GaN层的两侧采用干法刻蚀进行台面刻蚀，直至露出重掺杂N型GaN层；
然后在轻掺杂N型GaN层和重掺杂N型GaN层露出的部分上采用化学气相淀积法生长厚度为250nm的SiO2钝化层。
步骤五.金属蒸镀肖特基阻挡层和欧姆接触电极。
本步骤的具体实施与实施例1中的步骤5相同。
实施例3：制备石墨烯插入层为双层、溅射氮化铝厚度为60nm的GaN基肖特基势垒二极管SBD器件
步骤A.磁控溅射氮化铝，得到溅射氮化铝的基板。
先将蓝宝石衬底置于磁控溅射系统中，设反应室压力为1Pa，并向反应室同时通入氮气和氩气5min，对蓝宝石衬底进行清洗处理，得到清洗后的蓝宝石衬底；再以99.999％纯度的铝为靶材，采用射频磁控溅射方法，在蓝宝石衬底上溅射60nm厚的氮化铝薄膜，得到溅射氮化铝的基板。
步骤B.生长、转移石墨烯。
本步骤的具体实现与实施例2中的步骤二相同。
步骤C.在覆盖双层石墨烯的溅射氮化铝基板上生长N型GaN层。
将覆盖双层石墨烯的溅射氮化铝基板置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室温度升到1045℃，并同时通入镓源、氮源和N型掺杂源，在覆盖双层石墨烯的溅射氮化铝基板上生长厚度为600nm，电子浓度为5×1019cm-3的N型GaN层，得到重掺杂N型GaN层；保持反应室温度不变，调整N型掺杂源的流量，在重掺杂N型GaN层上生长厚度为600nm，电子浓度为5×1018cm-3的N型GaN层，得到轻掺杂N型GaN层；停止反应室加热和通气，将得到的N型GaN层冷却至室温。
步骤D.在N型GaN层生长SiO2钝化层。
先对轻掺杂N型GaN层的两侧采用干法刻蚀进行台面刻蚀，直至露出重掺杂N型GaN层；再在轻掺杂N型GaN层和重掺杂N型GaN层露出的部分上采用化学气相淀积法生长厚度为300nm的SiO2钝化层。
步骤E.金属蒸镀肖特基阻挡层和欧姆接触电极。
本步骤的具体实施与实施例1中的步骤5相同。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然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，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于石墨烯插入层结构的GaN基肖特基势垒二极管SBD器件，包括蓝宝石衬底层(1)、重掺杂N型GaN层(4)、轻掺杂N型GaN层(5)、SiO2钝化层(6)、欧姆电极(7)和肖特基金属阻挡层(8)，其特征在于在蓝宝石衬底层(1)与重掺杂N型GaN层(4)之间依次设有磁控溅射氮化铝层(2)和石墨烯层(3)。
2.根据权利要求书1所述的结构，其特征在于，轻掺杂N型GaN层(5)位于重掺杂N型GaN层(4)之上，欧姆电极(7)位于重掺杂N型GaN层(4)上方的两侧，肖特基金属阻挡层(8)位于轻掺杂N型GaN层(5)的上方，SiO2钝化层(6)分布在轻掺杂N型GaN层(5)与欧姆电极(7)之间及轻掺杂N型GaN层(5)的上方。
3.根据权利要求书1所述的结构，其特征在于，所述磁控溅射氮化铝层(2)的厚度为30-60nm。
4.根据权利要求书1所述的结构，其特征在于，所述石墨烯层(3)为单层石墨烯层或双层石墨烯层。
5.根据权利要求书1所述的结构，其特征在于，所述的肖特基金属阻挡层(8)和欧姆接触电极(7)的金属均为Ni/Au，且金属Ni的生长厚度为30nm，金属Au的生长厚度为300nm。
6.一种基于石墨烯插入层结构的GaN基肖特基势垒二极管SBD器件制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)在蓝宝石衬底上磁控溅射氮化铝薄膜，得到溅射氮化铝基板；
2)生长、转移石墨烯：
2a)采用化学气相淀积法，在金属衬底上生长石墨烯层；
2b)将生长石墨烯的金属衬底置于64g/L的过硫酸铵溶液中浸泡12小时，以去除掉金属衬底，得到无金属衬底的石墨烯层；
2c)将石墨烯层转移到溅射氮化铝基板上，得到覆盖石墨烯的溅射氮化铝基板；
3)先将覆盖石墨烯的溅射氮化铝基板置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，再将反应室温度升到1045℃，通入镓源、氮源和N型掺杂源，在覆盖石墨烯的溅射氮化铝基板上生长厚度300-600nm，电子浓度为1×1019-5×1019cm-3的N型GaN层，得到重掺杂N型GaN层；
4)保持反应室温度不变，调整N型掺杂源通入流量，在重掺杂N型GaN层上生长厚度为300-600nm，电子浓度为1×1018-5×1018cm-3的N型GaN层，得到轻掺杂N型GaN层；
5)停止反应室加热和通气，将得到的基于石墨烯插入层结构的肖特基势垒二极管SBD外延层冷却至室温，完成肖特基势垒二极管SBD外延层的制备；
6)对轻掺杂N型GaN层一部分采用干法刻蚀进行台面刻蚀，直至露出重掺杂N型GaN层的一部分；
7)在轻掺杂N型GaN层和重掺杂N型GaN层露出的部分上采用化学气相淀积法生长厚度为200-300nm的SiO2钝化层；
8)对SiO2钝化层进行干法刻蚀，直至露出轻掺杂N型GaN层或重掺杂N型GaN层；
9)在露出的轻掺杂N型GaN层或重掺杂N型GaN层分别进行金属蒸镀，形成肖特基金属阻挡层或欧姆接触电极，并对金属层进行高温退火合金化，完成基于石墨烯插入层结构的GaN基肖特基势垒二极管SBD器件制备。
7.根据权利要求书6所述的方法，其特征在于步骤1)所述的在蓝宝石衬底上磁控溅射氮化铝，按如下步骤进行：
1a)将蓝宝石衬底置于磁控溅射系统中，反应室压力为1Pa，通入氮气和氩气5min，得到预处理后的蓝宝石衬底；
1b)以99.999％纯度的铝为靶材，采用射频磁控溅射方法，在预处理后的蓝宝石衬底上溅射氮化铝薄膜，得到溅射氮化铝基板。
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