CN109524477A - 用于无线能量传输的整流二极管及其制备方法 - Google Patents

用于无线能量传输的整流二极管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于无线能量传输的整流二极管及其制备方法,其中,制备方法包括:(a)选取单晶Si衬底;(b)在所述Si衬底的第一表面生长Ge外延层;(c)刻蚀所述Ge外延层形成脊状台阶结构;(d)在所述Ge外延层脊状台阶结构的台阶上生长SiGe层;(e)分别在所述Ge外延层和所述Si衬底的第二表面制备金属电极以完成所述整流二极管的制备;本发明本发明通过在Ge外延层四周生长SiGe从而在Ge中引入应力,实现直接带隙Ge材料的制备;从而制备的肖特基二极管具有较高的迁移率,适用于微波无线能量传输系统内整流二极管,可大大提升无线能量传输转换效率。

Description

用于无线能量传输的整流二极管及其制备方法
技术领域
本发明属半导体器件制备技术领域,特别涉及一种用于无线能量传输的整流二极管及其制备方法。
背景技术
无线能量传输系统(Wireless Power Transfer,WPT),是一种能够突破传输线限制输送电能的装置。以微波波段电磁波作为输入能量,通过使用发射天线到接收天线的点对点的传播方式的无线能量传输系统被称为微波无线能量传输系统(Microwave PowerTransfer,MPT)。
随着无线能量传输技术在生活中越来越广泛的应用,提升无线能量传输转换效率变的越来越重要,转换效率是评价MPT的关键指标,MPT整流电路内的整流二极管,即整流天线内的肖特基二极管,决定着最高转换效率的大小。
因此选择何种材料及工艺制备MPT整流电路内的高转换效率整流二极管变的尤为重要。
发明内容
为了提高现有整流二极管的性能,本发明提供了一种用于无线能量传输的整流二极管及其制备方法;本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现:
本发明的实施例提供了一种用于无线能量传输的整流二极管的制备方法,包括:
(a)选取单晶Si衬底;
(b)在所述Si衬底的第一表面生长Ge外延层;
(c)刻蚀所述Ge外延层形成脊状台阶结构;
(d)在所述Ge外延层脊状台阶结构的台阶上生长SiGe层;
(e)分别在所述Ge外延层和所述Si衬底的第二表面制备金属电极以完成所述整流二极管的制备。
在本发明的一个实施例中,在步骤(b)之前包括:
(X1)在275℃~325℃温度下,在所述Si衬底第一表面生长N型Ge缓冲层;所述Ge缓冲层的厚度为40~50nm,掺杂浓度为1×1020cm-3
在本发明的一个实施例中,步骤(b)包括:
(b1)在500℃~600℃温度下,在所述Ge缓冲层表面生长所述Ge外延层;
(b2)在750℃~850℃温度下,在H2气氛中退火10~15分钟。
在本发明的一个实施例中,在步骤(b)中,所述Ge外延层为厚度为 900~950nm的N型Ge外延层,掺杂浓度为1.8×1014~2×1014cm-3
在本发明的一个实施例中,步骤(c)包括:
(c1)在所述Ge外延层表面涂抹光刻胶,利用光刻工艺曝光所述光刻胶,保留所述Ge外延层中心位置处的光刻胶;
(c2)在CF4和SF6气体环境中,利用感应耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀所述Ge外延层,形成所述脊状台阶结构;
(c3)去除所述光刻胶。
在本发明的一个实施例中,步骤(d)包括:
(d1)在所述Ge外延层表面淀积Si3N4层;
(d2)利用刻蚀工艺刻蚀所述Si3N4层,刻蚀掉所述Ge外延层脊状台阶结构台阶上的所述Si3N4层;
(d3)利用CVD工艺,在500℃~600℃温度下,以硅烷、锗烷为气源,在所述Ge外延层脊状台阶结构台阶上生长所述SiGe层;
(d4)去除所述Si3N4层。
在本发明的一个实施例中,所述SiGe层为厚度为20nm的Si0.5Ge0.5层。
在本发明的一个实施例中,所述Si衬底为N型单晶Si,厚度为 300~400μm,掺杂浓度为1×1020cm-3
在本发明的一个实施例中,所述金属电极包括淀积于所述Ge外延层的第一金属电极和淀积于所述Si衬底第二表面的第二金属电极;其中,所述第一金属电极材料为金属W,厚度为10~20nm;所述第二金属电极材料为金属Al,厚度为10~20nm。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1)本发明通过在Ge外延层四周生长SiGe从而在Ge中引入应力,实现直接带隙Ge材料的制备,制备的肖特基二极管具有较高的迁移率,适用于微波无线能量传输系统内整流二极管,可大大提升能量转换效率。
2)本发明通过在Ge外延层四周生长SiGe从而在Ge中引入应力,实现直接带隙Ge材料的制备。相比传统通过掺杂和热失配等引入应变致直接带隙的方式相比而言,应变工艺简单,且不会产生大量缺陷,故而能够得到质量更好的直接带隙材料。
附图说明
下面将结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种用于无线能量传输的整流二极管制备方法流程图;
图2a-图2m为本发明实施例的一种用于无线能量传输的整流二极管制备方法工艺示意图;
图3为本发明实施例提供的一种用于无线能量传输的整流二极管结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1,图1为本发明实施例提供的一种用于无线能量传输的整流二极管制备方法流程图,其中,用于无线能量传输的整流二极管的制备方法包括:
(a)选取单晶Si衬底;
(b)在所述Si衬底的第一表面生长Ge外延层;
(c)刻蚀所述Ge外延层形成脊状台阶结构;
(d)在所述Ge外延层脊状台阶结构的台阶上生长SiGe层;
(e)分别在所述Ge外延层和所述Si衬底的第二表面制备金属电极以完成所述整流二极管的制备。
具体地,在步骤(b)之前可以包括:
(X1)在275℃~325℃温度下,在所述Si衬底第一表面生长N型Ge缓冲层;所述Ge缓冲层的厚度为40~50nm,掺杂浓度为1×1020cm-3
其中,通过在所述Si衬底和所述Ge外延层之间设置所述Ge缓冲层,可以降低所述Ge外延层位错密度;在275℃~325℃温度下生长,可以将因为晶格适配造成的位错密度限制在所述Ge缓冲层内。
具体地,步骤(b)可以包括:
(b1)在500℃~600℃温度下,在所述Ge缓冲层表面生长所述Ge外延层;
(b2)在750℃~850℃温度下,在H2气氛中退火10~15分钟。
优选地,在步骤(b)中,所述Ge外延层为厚度为900~950nm的N型Ge 外延层,掺杂浓度为1.8×1014~2×1014cm-3。其中,肖特基二极管的Ge外延层厚度一般在800nm以上,但是太厚的Ge外延层会降低器件速度;因此经过实验仿真选用厚度为900~950nm的Ge外延层,器件性能最为优良。
进一步地,步骤(c)可以包括:
(c1)在所述Ge外延层表面涂抹光刻胶,利用光刻工艺曝光所述光刻胶,保留所述Ge外延层中心位置处的光刻胶;
(c2)在CF4和SF6气体环境中,利用感应耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀所述Ge外延层,形成所述脊状台阶结构;
(c3)去除所述光刻胶。
具体地,步骤(d)可以包括:
(d1)在所述Ge外延层表面淀积Si3N4层;
(d2)利用刻蚀工艺刻蚀所述Si3N4层,刻蚀掉所述Ge外延层脊状台阶结构台阶上的所述Si3N4层;
(d3)利用CVD工艺,在500℃~600℃温度下,以硅烷、锗烷为气源,在所述Ge外延层脊状台阶结构台阶上生长所述SiGe层;
(d4)去除所述Si3N4层。
优选地,所述SiGe层为厚度为20nm的Si0.5Ge0.5层。
优选地,所述Si衬底为N型单晶Si,厚度为300~400μm,掺杂浓度为 1×1020cm-3
优选地,所述金属电极包括淀积于所述Ge外延层的第一金属电极和淀积于所述Si衬底第二表面的第二金属电极;其中,所述第一金属电极材料为金属W,厚度为10~20nm;所述第二金属电极材料为金属Al,厚度为 10~20nm。
本发明通过在Ge外延层四周生长SiGe从而在Ge中引入应力,实现直接带隙Ge材料的制备;相比传统通过掺杂和热失配等引入应变致直接带隙的方式相比而言,应变工艺简单,且不会产生大量缺陷,故而能够得到质量更好的直接带隙材料;从而制备的肖特基二极管具有较高的迁移率,适用于微波无线能量传输系统内整流二极管,可大大提升无线能量传输转换效率。
实施例二
请参照图2a-图2m,图2a-图2m为本发明实施例的一种用于无线能量传输的整流二极管制备方法工艺示意图,该制备方法包括如下步骤:
S101、选取衬底;如图2a所示,选取N型掺杂浓度为1×1020cm-3,厚度为300~400μm的N型单晶Si衬底001;
S102、制备第一Ge层;如图2b所示,利用分子束外延工艺,在 275℃~325℃温度下,以PH3作为P掺杂源,在所述Si衬底上外延生长厚度为40~50nm,掺杂浓度为1×1020cm-3的N型第一Ge层002;所述第一 Ge层为缓冲层。
S103、制备第二Ge层;如图2c所示,利用分子束外延工艺,在 500℃~600℃温度下,以PH3作为P掺杂源,在所述第一Ge层002上生长厚度为900~950nm,掺杂浓度为1.8×1014~2×1014cm-3的N型第二Ge层003;所述第二Ge层为外延层;
S104、退火。在750℃~850℃温度下,在H2气氛中退火10~15分钟;
S105、清洗。使用稀氢氟酸和去离子水循环清洗所述第二Ge层003;
S106、曝光。如图2d所示,在所述第二Ge层003表面涂抹光刻胶,利用光刻工艺曝光光刻胶,保留所述第二Ge层003中心位置处的光刻胶;
S107、刻蚀。如图2e所示,在CF4和SF6气体环境中,利用感应耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀所述第二Ge层,形成Ge脊状台阶结构;
S108、去除表面光刻胶;
S109、淀积。如图2f所示,在所述第二Ge层003表面淀积一层Si3N4材料004;
S110、刻蚀。如图2g所示,利用刻蚀工艺刻蚀所述Si3N4材料004,保留所述Ge脊状台阶结构的脊状表面的Si3N4材料004;
S111、SiGe材料生长。如图2h所示,利用CVD工艺,在500℃~600℃温度下,以硅烷、锗烷为气源,在所述Ge脊状台阶结构的台阶表面生长厚度为20nm的Si0.5Ge0.5层005;
S112、如图2i所示,去除所述Si3N4层004,以形成与Si工艺兼容的直接带隙Ge层006。
S113、淀积金属层007。如图2j所示,利用电子束蒸发工艺,在所述直接带隙Ge层006及刻蚀后的材料表面淀积厚度为10~20nm的W层007,形成肖特基接触;
S114、如图2k所示,利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属W,即刻蚀掉Si0.5Ge0.5层005表面的金属W和所述直接带隙Ge层006表面的部分金属W,保留所述直接带隙Ge层006中间部分的金属W,形成电极 a1;
S115、淀积金属层008。如图2l所示,利用电子束蒸发工艺,在Si衬底001的第二表面淀积厚度为10~20nm的Al层008,形成欧姆接触;
S116、如图2m所示,利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属Al,即刻蚀掉Si衬底001的第二表面的部分金属Al,保留Si衬底001的第二表面中间部分的金属Al,形成电极a2。
实施例三
请参照图3,图3为本发明实施例提供的一种用于无线能量传输的整流二极管结构示意图。该整流二极管利用上述如2a-图2m所示的制备方法制成。具体地,整流二极管包括:N型单晶Si衬底301、第一Ge层302、第二Ge层303、SiGe层304、第一金属层305以及第二金属层306;
其中,第二Ge层303为脊状台阶结构;第一Ge层302和第二Ge层 303依次层叠于Si衬底301的第一表面;SiGe层304设置于第二Ge层303 周围台阶表面,并与脊状台阶结构的脊状顶面高度一致;第一金属层305 设置于第二Ge层303脊状台阶结构的脊状顶面的中心处;第二金属层306 设置于Si衬底301的第二表面的中心处。
优选地,N型单晶Si衬底301的厚度为300~400μm,掺杂浓度为 1×1020cm-3
优选地,第一Ge层302为缓冲层,材料为N型Ge材料,厚度为40~50nm,掺杂浓度为1×1020cm-3
优选地,第二Ge层303为材料为N型Ge材料,厚度为900~950nm的 N型Ge外延层,掺杂浓度为1.8×1014~2×1014cm-3
优选地,SiGe层304为材料为Si0.5Ge0.5材料,厚度为20nm。
优选地,第一金属层305材料为金属W,厚度为10~20nm;第二金属层306材料为金属Al,厚度为10~20nm。
本实施例提供的整流二极管微波无线能量传输系统整流电路内的整流二极管,即整流天线内的肖特基二极管,决定着最高转换效率的大小。从材料角度考虑,使用高迁移率材料的肖特基二极管由于载流子速度较快,所以对于高频信号响应的更加及时,也就更适合在高频场合下工作,当其应用于无限能量传输系统,则有利于提升转换模块的最大转换效率。通过在外延Ge层四周淀积一层SiGe材料,对中心Ge层引入应力,从而实现能带结构的调制。直接带隙Ge肖特基二极管与传统的Ge肖特基二极管相比,具有更高的电子迁移率以及能带优势,适用于微波无线能量传输时转换效率更高。
综上,本文中应用了具体个例对本发明一种用于无线能量传输的整流二极管的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的制备方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上,本说明书内容不应理解为对本发明的限制,本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于无线能量传输的整流二极管的制备方法,其特征在于,包括:
(a)选取单晶Si衬底;
(b)在所述Si衬底的第一表面生长Ge外延层;
(c)刻蚀所述Ge外延层形成脊状台阶结构;
(d)在所述Ge外延层脊状台阶结构的台阶上生长SiGe层;
(e)分别在所述Ge外延层和所述Si衬底的第二表面制备金属电极以完成所述整流二极管的制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤(b)之前包括:
(X1)在275℃~325℃温度下,在所述Si衬底第一表面生长N型Ge缓冲层;所述Ge缓冲层的厚度为40~50nm,掺杂浓度为1×1020cm-3
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤(b)包括:
(b1)在500℃~600℃温度下,在所述Ge缓冲层表面生长所述Ge外延层;
(b2)在750℃~850℃温度下,在H2气氛中退火10~15分钟。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,在步骤(b)中,所述Ge外延层为厚度为900~950nm的N型Ge外延层,掺杂浓度为1.8×1014~2×1014cm-3
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(c)包括:
(c1)在所述Ge外延层表面涂抹光刻胶,利用光刻工艺曝光所述光刻胶,保留所述Ge外延层中心位置处的光刻胶;
(c2)在CF4和SF6气体环境中,利用感应耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀所述Ge外延层,形成所述脊状台阶结构;
(c3)去除所述光刻胶。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(d)包括:
(d1)在所述Ge外延层表面淀积Si3N4层;
(d2)利用刻蚀工艺刻蚀所述Si3N4层,刻蚀掉所述Ge外延层脊状台阶结构台阶上的所述Si3N4层;
(d3)利用CVD工艺,在500℃~600℃温度下,以硅烷、锗烷为气源,在所述Ge外延层脊状台阶结构台阶上生长所述SiGe层;
(d4)去除所述Si3N4层。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述SiGe层为厚度为20nm。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述Si衬底为N型单晶Si,厚度为300~400μm,掺杂浓度为1×1020cm-3
9.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述金属电极包括淀积于所述Ge外延层的第一金属电极和淀积于所述Si衬底第二表面的第二金属电极;其中,所述第一金属电极材料为金属W,厚度为10~20nm;所述第二金属电极材料为金属Al,厚度为10~20nm。
10.一种用于无线能量传输的整流二极管,其特征在于,所述整流二极管由权利要求1~9任一项所述的制备方法制备形成。
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