CN109449214A - 一种氧化镓半导体肖特基二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的氧化镓(Ga2O3)半导体肖特基二极管,包括半导体层、阳极电极和阴极电极,特征在于:半导体层为Ga2O3薄膜,阳极电极为锡的氧化物(SnOx)。本发明的肖特基二极管的制作方法,包括:a).制备Ga2O3薄片;b).薄片清洗;c).Ga2O3薄片刻蚀;d).制备阴极和金属接触点层;e).退火处理;f).制备SnOx薄膜;g).制备阳极金属触点层。本发明的氧化镓半导体肖特基二极管,理想因子(为1.02)非常接近1、势垒高度为1.17 eV、开关比超过1010,所获取的肖特基二极管性能优良。本发明的肖特基二极管的制作方法,用SnOx作为肖特基接触电极,进而得到高性能的Ga2O3肖特基二极管。
Description
技术领域
本发明涉及一种氧化镓半导体肖特基二极管及其制作方法,更具体的说,尤其涉及一种使用锡的氧化物(SnOx)作为肖特基阳极的氧化镓半导体肖特基二极管及其制作方法。
背景技术
肖特基势垒二极管(Schottky barrier diodes, SBDs)作为半导体电路中的基本元器件,在射频识别标签,太阳能电池,放大器,光探测器和逻辑门等方面有很大的应用,高性能的肖特基二极管起着至关重要的作用。高性能的肖特基二极管同样可以用于大阵列电阻式随机存取存储器和相变存储器来减小寄生电流。氧化镓(Ga2O3)作为一种宽带隙金属氧化物半导体,凭借着4.5-4.9 eV的宽带隙以及6-8 MV/cm 的大的击穿场强等优点成为了电子和光电子学的研究热点。大尺寸高质量的Ga2O3单晶可以通过常规的低成本熔融法制备,如,导模法(edge-defined film-fed growth, EFG)、提拉法、区熔法。
目前,国内外对于Ga2O3 SBDs已有很多研究报道,但大多数采用惰性金属如金(Au),铂(Pt),钯(Pd),镍(Ni)等作为肖特基阳极材料。如文献[Farzana, E., Zhang, Z.,Paul, P. K., Arehart, A. R., & Ringel, S. A. (2017). Influence of metalchoice on (010) β-Ga2O3 Schottky diode properties. Applied Physics Letters,110(20), 202102.]中用惰性金属Au, Pt, Pd, Ni作为肖特基阳极制备的β-Ga2O3 SBDs。该方法制备所得器件性能优良,其势垒高度可以达到1.27~1.71 eV,理想因子可以达到1.03~1.09。但是由于惰性金属材料稀缺,价格昂贵,所以此种方法具有很高的制备成本。另外,由于部分金属对O2具有较高的化学亲和力,沉积单层金属在金属氧化物半导体表面可导致O从亚表面扩散,从而在金属/半导体界面处形成一个电子积累层,导致器件性能退化。为了避免这个问题,使用氧化金属,比如,氧化银、氧化铂、氧化铱等已经被广泛应用于氧化锌和铟镓锌氧SBDs的器件。文献[Allen, M. W., Mendelsberg, R. J., Reeves, R. J., &Durbin, S. M. (2009). Oxidized noble metal Schottky contacts to n-type ZnO.Applied Physics Letters, 94(10), 103508.]报道了使用氧化惰性金属作为肖特基阳极材料制备的ZnO SBDs,文献中采用氧化铱、氧化铂、氧化钯作为肖特基阳极电极,分别在Zn极性面和O极性面制备了SBDs。这些被氧化的惰性金属通过反应性侵蚀脉冲激光沉积法制备。所有制备的器件都具有高的性能,包括低的理想因子和高的势垒高度。这主要是由于低沉积能量对半导体表面造成了很小的损伤以及富氧环境减少了界面缺陷。对于Ga2O3, Müller et al.等人在文献[Müller, S., von Wenckstern, H., Schmidt, F., Splith,D., Schein, F. L., Frenzel, H., & Grundmann, M. (2015). Comparison ofSchottky contacts on β-gallium oxide thin films and bulk crystals. AppliedPhysics Express, 8(12), 121102.]报道了使用氧化铂作为肖特基接触在Ga2O3单晶和薄膜上制备了高性能SBDs,其势垒高度分别为1.94 和1.42 eV,理想因子分别为1.09和1.21。
如前所述,大多数关于Ga2O3 SBDs的报道都是使用惰性金属作为肖特基阳极,存在制备成本高、不利于工业化生产、器件性能退化等问题。只有极少数关于使用高成本氧化金属作为肖特基阳极的报道。本专利研发了使用锡的氧化物(SnOx)作为肖特基阳极的技术,可同时实现高性能、低成本、以及大面积工业化生产。利用SnOx作为肖特基阳极,我们制备了高性能的SBDs。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点,提供了一种使用溅射工艺制备SnOx作为阳极材料的氧化镓半导体肖特基二极管及其制作方法。
本发明的氧化镓半导体肖特基二极管,包括半导体层以及设置于半导体层两侧的阳极电极和阴极电极,阳极电极与半导体层为肖特基接触,阴极电极与半导体层为欧姆接触;其特征在于:所述半导体层为Ga2O3薄膜,阳极电极为SnOx薄膜。
本发明的氧化镓半导体肖特基二极管,所述Ga2O3薄膜为没有故意掺杂的Ga2O3或者掺杂Cr、Si、Ge、Sn、Ti、Zr和Hf中的1种及以上元素的Ga2O3,Ga2O3薄膜的晶形为α、β、γ、δ、ε中的任意一种,Ga2O3单晶在室温下的载流子浓度范围为1×1014 cm-3至1×1018 cm-3。
本发明的氧化镓半导体肖特基二极管,作为半导体层的Ga2O3薄膜厚度为30~600μm。
本发明的氧化镓半导体肖特基二极管,作为阳极电极的SnOx薄膜的厚度为20~200 nm。
本发明的氧化镓半导体肖特基二极管,所述阳极电极的外表面上设置有阳极金属触点层,阴极电极的外表面上设置有阴极金属触点层,阳极金属触点层、阴极电极、阴极金属触点层的材质分别为Ti、Ti、Au,其厚度范围均为10~500 nm。
本发明的氧化镓半导体肖特基二极管的制作方法,其特征在于,通过以下步骤来实现:
a).制备Ga2O3薄片,采用机械切割或者机械剥离的方法从Ga2O3单晶上得到厚度范围为30~600μm的Ga2O3薄片;b).薄片清洗,将步骤a)中得到的Ga2O3薄片进行清洗;c). Ga2O3薄片刻蚀,将清洗好的Ga2O3薄片一面朝上,该面记为正面,利用等离子体对Ga2O3薄片的正面进行刻蚀,以使正面形成更好的欧姆接触;d).制备阴极和金属接触点层,在Ga2O3薄片刻蚀后的正面上依次蒸发不同的金属,以形成阴极电极和阴极金属触点层;e).退火处理,将步骤d)得到的样品在惰性气体氛围中进行快速退火处理;f).制备SnOx薄膜,利用掩膜版或光刻技术在Ga2O3薄片的另一个表面定义阳极电极的图案,另一个表面记为反面,在氧分压为3.1%的环境中在Ga2O3薄片的反面溅射沉积厚度范围为20~200 nm 的SnOx薄膜;g).制备阳极金属触点层,在步骤f)中获取样品的SnOx薄膜上蒸发金属层,以形成对SnOx薄膜保护的阳极金属触点层。
本发明的氧化镓半导体肖特基二极管的制作方法,步骤a)中,机械剥离获取Ga2O3薄片的方法为:将粘性胶带贴在Ga2O3单晶上,稍用力按压后,快速撕下,Ga2O3薄片粘在粘性胶带上,然后将样品放在4-甲基异丁基甲酮中,加热至75-85 ℃,浸泡5分钟,去除黏性胶带,最后用异丙醇冲洗Ga2O3薄片。
本发明的氧化镓半导体肖特基二极管的制作方法,步骤b)中的薄片清洗通过以下步骤来实现:
b-1).首先,将Ga2O3薄片置于超声清洗机中依次用丙酮、乙醇、去离子水冲洗,然后用氮气吹干,以去除Ga2O3薄片表面的有机污物;b-2).然后,将Ga2O3薄片置于HF:H2O=1:9的氢氟酸溶液中腐蚀2 min,再用去离子水冲洗,最后用氮气吹干;b-3).最后,将Ga2O3薄片浸泡在85 ℃的双氧水中5min,再用去离子水冲洗,最后用氮气吹干,即可获取表面清洁的Ga2O3薄片。
本发明的氧化镓半导体肖特基二极管的制作方法,步骤c)中的Ga2O3薄片刻蚀利用电感耦合等离子体工艺或氧等离子体工艺进行刻蚀;选用电感耦合等离子体工艺时,使用BCl3和Ar混合气进行刻蚀,使Ga2O3薄片的正面更容易形成欧姆接触;步骤d)中依次蒸发的金属为Ti、Au,步骤g)中蒸发的金属为Ti;步骤e)中的退火条件为:在氮气中将器件加热至350~500 ℃并保持1 min,然后进行快速退火。
本发明的氧化镓半导体肖特基二极管的制作方法,步骤f)所述的制备SnOx薄膜的具体条件为:在气体流量为26 sccm、氧分压为3.1%的氧气和氩气混合气体氛围中,在Ga2O3薄片的反面溅射沉积SnOx薄膜。
本发明的有益效果是:本发明的氧化镓半导体肖特基二极管,半导体层采用宽带隙的Ga2O3金属氧化物半导体材料,与半导体层欧姆接触的阳极电极采用锡的氧化物SnOx,形成了理想因子非常接近1、势垒高度为1.17eV左右、开关比超过1010的肖特基势垒二极管,所获取的肖特基二极管性能优良。
本发明的氧化镓半导体肖特基二极管的制作方法,首先采用机械剥离或切割的方式从Ga2O3晶体上获取厚度为30~600μm的Ga2O3薄片,然后对Ga2O3薄片进行清洗、刻蚀、制备阴极电极和金属接触点层、退火处理,然后在氧气氛围中溅射沉积厚度为20~200nm 的SnOx薄膜,最后制备阳极金属触点层,这样,就形成了高性能的氧化镓半导体肖特基二极管;这主要归因于:1)在沉积SnOx的初始阶段利用通入的氧气可以去除Ga2O3薄片表面氢氧根诱导的高导电表面积聚层,确保了肖特基势垒附近的半导体中的富氧环境,降低了缺氧相关缺陷的水平;2)SnO作为SnOx薄膜的主要成分,其主要缺陷态为锡空位,并且锡空位产生的氧的悬挂键可以有效的补偿Ga2O3中的氧空位,降低界面态密度,进而改善了整流接触特性。其优异的工艺优势和器件性能表明,该技术具有极高的应用推广前景。
本发明的氧化镓半导体肖特基二极管及其制作方法的优点体现在:
(1)、本发明所述肖特基阳极电极为反应溅射的SnOx薄膜,主要有两方面的作用:一方面,在沉积SnOx的初始阶段利用通入的氧气去除了氢氧根诱导的高导电表面积聚层,确保肖特基势垒附近的半导体中的富氧环境降低了缺氧相关缺陷的水平;另一方面,SnO作为SnOx薄膜的主要成分,其主要缺陷态为锡空位,并且锡空位产生的氧的悬挂键可以有效的补偿Ga2O3中的氧空位,降低界面态密度,改善了整流接触特性。
(2)、本发明使用的肖特基接触电极为SnOx薄膜,金属Sn具有含量丰富、价格低廉、对人体及环境友好等优势。
(3)、本发明所述氧化物半导体层为Ga2O3单晶,可以通过常规的低成本熔融法制备,如,导模法、提拉法、区熔法,可制备大面积高质量的单晶。
(4)、本发明所述氧化物半导体层为机械剥离或机械切割的Ga2O3薄片,利用机械剥离或机械切割方法具有容易制备、低表面损伤、超平滑的晶体表面等优势。
(5)、本发明采用垂直结构,制备工艺简单、稳定、重复性好,适合工业化推广;
(6)、本发明采用欧姆接触优化处理工艺,在沉积欧姆接触金属层之前,首先用ICP或oxygen plasma刻蚀氧化物半导体表面,使其有利于形成欧姆接触,沉积欧姆接触金属之后,对其进行快速热退火处理。
(7)、本发明制备的利用SnOx作为肖特基接触电极的基于β-Ga2O3的SBDs器件性能良好,理想因子为1.02非常接近理想值1。势垒高度为1.17 eV,开关比超过1010。
附图说明
图1为本发明的氧化镓半导体肖特基二极管的结构示意图;
图2为本发明的实施例所制备的肖特基二极管中肖特基接触截面的扫描电子显微镜图(scanning electron microscope, SEM);
图3为本发明的氧化镓半导体肖特基二极管中SnOx薄膜的X射线光电子能谱图(X-rayphotoelectron spectroscopy, XPS);
图4为本发明的SnOx/β-Ga2O3 SBDs的半对数和线性坐标下的电流密度-电压(J-V)特性曲线;
图5为本发明的SnOx/β-Ga2O3 SBDs的电容-电压(C-V)特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示,给出了本发明的氧化镓半导体肖特基二极管的结构示意图,其由半导体层、阳极电极、阳极金属触点层、阴极电极、阴极金属触点层组成,阳极电极、阴极电极分别设置于半导体层的两个表面上,并分别与半导体层形成肖特基接触和欧姆接触。半导体层采用从Ga2O3晶体上取下的厚度为30~600μm 的Ga2O3薄片,阳极电极采用厚度为20~200nm的锡的氧化物SnOx薄膜,从而形成了性能优良的Ga2O3半导体肖特基二极管。阳极电极的外表面上设置有阳极金属触点层,在阳极金属触点层对阳极电极的覆盖作用下,既避免了器件测试过程中探针对SnOx薄膜阳极电极的破坏,也有利于形成器件时阳极电极的引出。阴极电极的外表面上覆盖有阴极金属触点层,同样地,阴极金属触点层也实现对阴极电极的保护作用。
Ga2O3薄片可采用没有故意掺杂的Ga2O3或者掺杂Si、Ge、Sn、Ti、Zr和Hf中的1种及以上元素的Ga2O3,Ga2O3薄膜的晶形为α、β、γ、δ、ε中的任意一种,就器件稳定性的方面而言,优选为β-Ga2O3。Ga2O3晶体在室温下的载流子浓度范围为1×1014 cm-3至1×1018 cm-3。阳极金属触点层、阴极电极、阴极金属触点层的可分别采用材质为Ti、Ti、Au的金属,其厚度范围均为10~500 nm。
下面给出以铬Cr掺杂的β-Ga2O3单晶薄膜为半导体层、SnOx薄膜为阳极电极的氧化镓半导体肖特基二极管的制作方法,具体通过以下步骤来实现:
1)、铬掺杂的β-Ga2O3单晶通过EFG方法生长,然后利用机械剥离法制备了厚度为220 μm,面积为 2 mm × 10 mm的(100)方向的Ga2O3薄片。
2)、对机械剥离得到的(100)方向的β-Ga2O3衬底进行清洗:首先将其置于超声清洗机中依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗,去除有机污物;然后将其置于HF:H2O=1:9的溶液中腐蚀2 min,用去离子水冲洗;最后将其浸泡在85 ℃的双氧水中5 min,用去离子水冲洗;在每一步去离子水冲洗过后都需要用氮气吹干。
3)、将清洗好的β-Ga2O3衬底一面朝上,该朝上面记为正面,利用电感耦合等离子体(Inductively coupled plasma, ICP) 技术,使用BCl3和Ar混合气进行刻蚀,使Ga2O3衬底正面更容易形成欧姆接触。
4)、将刻蚀好的β-Ga2O3衬底放入电子束蒸发腔室中在其正面依次蒸发金属Ti、Au,其中Ti厚度为40 nm,Au厚度为20 nm。
5)、退火,在氮气环境中进行350 ℃的快速热退火60 s,以减小欧姆接触电阻。
6)、将制备好阴极电极的β-Ga2O3衬底放入磁控溅射腔室中,在其反面溅射沉积SnOx薄膜,具体是指在功率为50 W、氧分压(氧气/(氧气+氩气))为1.5% ~ 13.1%,气体流量为26 sccm条件下,利用掩膜版来定义肖特基电极的图案;所述衬底正面设有磁铁,掩膜板通过所述磁铁吸附在所述衬底反面。溅射沉积的SnOx厚度为50 nm。
7)、将制备好肖特基接触电极的样品放入电子束蒸发腔室中,在SnOx薄膜上蒸发金属Ti作为保护层。
如图2所示,给出了本发明的实施例所制备的肖特基二极管中肖特基接触截面的SEM图,可见作为阳极电极的锡的氧化物SnOx薄膜与作为半导体层的Ga2O3薄片之间具有良好的接触,肖特基接触性能良好。如图3所示,给出了本发明的氧化镓半导体肖特基二极管中SnOx薄膜的XPS图,采用与步骤6)相同的方法在设置有SiO2层的Si衬底上制备锡的氧化物SnOx薄膜,对其进行XPS测试,所获取的数据如图3所示,可见可见SnOx薄膜含有Sn, SnO,SnO2三种组分,其中SnO占主导成分。
如图4所示,给出了本发明的SnOx/β-Ga2O3 SBDs的半对数和线性坐标下的J-V特性曲线,图5给出了本发明的SnOx/β-Ga2O3 SBDs的C-V特性曲线,可见所制备的氧化镓半导体肖特基二极管,理想因子为1.02非常接近1、势垒高度为1.17eV左右、开关比超过1010,所获取的肖特基二极管性能优良。
Claims (10)
1.一种氧化镓半导体肖特基二极管,包括半导体层以及设置于半导体层两侧的阳极电极和阴极电极,阳极电极与半导体层为肖特基接触,阴极电极与半导体层为欧姆接触;其特征在于:所述半导体层为Ga2O3薄膜,阳极电极为SnOx薄膜。
2.根据权利要求1所述的氧化镓半导体肖特基二极管,其特征在于:所述Ga2O3薄膜为没有故意掺杂的Ga2O3或者掺杂Cr、Si、Ge、Sn、Ti、Zr和Hf中的1种及以上元素的Ga2O3,Ga2O3薄膜的晶形为α、β、γ、δ、ε中的任意一种,Ga2O3单晶在室温下的载流子浓度范围为1×1014 cm-3至1×1018 cm-3。
3.根据权利要求1或2所述的氧化镓半导体肖特基二极管,其特征在于:作为半导体层的Ga2O3薄膜厚度为30~600μm。
4.根据权利要求1或2所述的氧化镓半导体肖特基二极管,其特征在于:作为阳极电极的SnOx薄膜的厚度为20~200 nm。
5.根据权利要求1或2所述的氧化镓半导体肖特基二极管,其特征在于:所述阳极电极的外表面上设置有阳极金属触点层,阴极电极的外表面上设置有阴极金属触点层,阳极金属触点层、阴极电极、阴极金属触点层的材质分别为Ti、Ti、Au,其厚度范围均为10~500nm。
6.一种氧化镓半导体肖特基二极管的制作方法,其特征在于,通过以下步骤来实现:
a).制备Ga2O3薄片,采用机械切割或者机械剥离的方法从Ga2O3单晶上得到厚度范围为30~600μm的Ga2O3薄片;
b).薄片清洗,将步骤a)中得到的Ga2O3薄片进行清洗;
c).Ga2O3薄片刻蚀,将清洗好的Ga2O3薄片一面朝上,该面记为正面,利用等离子体对Ga2O3薄片的正面进行刻蚀,以使正面形成更好的欧姆接触;
d).制备阴极和金属接触点层,在Ga2O3薄片刻蚀后的正面上依次蒸发不同的金属,以形成阴极电极和阴极金属触点层;
e).退火处理,将步骤d)得到的样品在惰性气体氛围中进行快速退火处理;
f).制备SnOx薄膜,利用掩膜版或光刻技术在Ga2O3薄片的另一个表面定义阳极电极的图案,另一个表面记为反面,在氧分压为3.1%的环境中在Ga2O3薄片的反面溅射沉积厚度范围为20~200 nm 的SnOx薄膜;
g).制备阳极金属触点层,在步骤f)中获取样品的SnOx薄膜上蒸发金属层,以形成对SnOx薄膜保护的阳极金属触点层。
7.根据权利要求6所述的氧化镓半导体肖特基二极管的制作方法,其特征在于:步骤a)中,机械剥离获取Ga2O3薄片的方法为:将粘性胶带贴在Ga2O3单晶上,稍用力按压后,快速撕下,Ga2O3薄片粘在粘性胶带上,然后将样品放在4-甲基异丁基甲酮中,加热至75-85℃,浸泡5分钟,去除黏性胶带,最后用异丙醇冲洗Ga2O3薄片。
8.根据权利要求6所述的氧化镓半导体肖特基二极管的制作方法,其特征在于:步骤b)中的薄片清洗通过以下步骤来实现:
b-1).首先,将Ga2O3薄片置于超声清洗机中依次用丙酮、乙醇、去离子水冲洗,然后用氮气吹干,以去除Ga2O3薄片表面的有机污物;
b-2).然后,将Ga2O3薄片置于HF:H2O=1:9的氢氟酸溶液中腐蚀2 min,再用去离子水冲洗,最后用氮气吹干;
b-3).最后,将Ga2O3薄片浸泡在85℃的双氧水中5 min,再用去离子水冲洗,最后用氮气吹干,即可获取表面清洁的Ga2O3薄片。
9.根据权利要求6所述的氧化镓半导体肖特基二极管的制作方法,其特征在于:步骤c)中的Ga2O3薄片刻蚀利用电感耦合等离子体工艺或氧等离子体工艺进行刻蚀;选用电感耦合等离子体工艺时,使用BCl3和Ar混合气进行刻蚀,使Ga2O3薄片的正面更容易形成欧姆接触;步骤d)中依次蒸发的金属为Ti、Au,步骤g)中蒸发的金属为Ti;步骤e)中的退火条件为:在氮气中将器件加热至350~500℃并保持1 min,然后进行快速退火。
10.根据权利要求6所述的氧化镓半导体肖特基二极管的制作方法,其特征在于:步骤f)所述的制备SnOx薄膜的具体条件为:在气体流量为26 sccm、氧分压为3.1%的氧气和氩气混合气体氛围中,在Ga2O3薄片的反面溅射沉积SnOx薄膜。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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