CN109545860A - 一种空气桥结构肖特基栅控二极管器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体芯片太赫兹波段领域，更具体的，涉及到一种具有空气桥结构肖特基栅控二极管器件及其制作方法。空气桥结构肖特基栅控二极管器件集成了高功函数金属栅、低功函金属肖特基接触、指状空气桥。制备的空气桥肖特基栅控二极管具有正向导通电压低、反向漏电小、截止频率高、能量消耗低、非线性强等优点，其制成的混频倍频器能实现太赫兹波段的频谱搬移功能，用于优良的太赫兹源及接收器。
Description
技术领域
本发明涉及半导体芯片太赫兹波段技术领域，更具体地，涉及一种空气桥结构肖特基栅控二极管器件及其制作方法。
背景技术
太赫兹波段是位于100GHz~10THz频段，位于红外和微波之间，与宏观电子学和微观电子学相接。太赫兹波段的光子能量低，安全性高，穿透强，包含信息能力强。太赫兹波段的利用不仅能扩大可用信道带宽，而且太赫兹频段通信能比普通无线通信有更大的保密优势，并且在射电天文学、雷达成像、医学、生物学等领域都有极大的需求。上个世纪以来，一种性能稳定、体积小、耗能低的太赫兹源一直是研究的热点。
相比较于适用在太赫兹波段的热电子辐射热计，三极管混频器和耿氏二极管这些需要苛刻条件才能正常工作的太赫兹器件，肖特基二极管展现出明显的优势，这是一种能工作在室温下的固态电子器件，而且截止频率也能达到很高。
AlGaN/GaN异质结的HEMT高迁移率半导体材料具有很小的沟道电阻，高的峰值电子速度和饱和电子速度，二维电子气浓度大，电子迁移率高等特点，适合用在高频做混频倍频器件。
传统的方法为了器件能工作在太赫兹波段，在HEMT材料势垒区表面上镀一层面积很小的较高功函数金属，欧姆接触金属呈现一个半圆的形式围绕肖特基接触面，肖特基电极以空气桥引出金属Pad，以此减小器件的电容，从而器件的频率能达到一个较高的水平。但是这种方法的开启电压大的问题一直存在。肖特基直接和异质结界面接触很早就被提出，肖特基金属相当分别与AlGaN材料以及AlGaN/GaN界面相接触，该效果与两个肖特基并联的效果相同，二维电子气相当于金属片。该结构的目的是利用2EDG层截面面积很小，而耗尽区宽度大，故其高频时的电容也很小，从而提升截止频率，同时，这种方法也存在反向漏电较大的问题。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种综合了肖特基金属与异质结直接接触以栅控减小反向漏电的二极管器件，并提出一种新型空气桥器件制作方法；该制作方法制作的二极管期间能在不影响肖特基和异质结接触较小开启电压下，大幅减小反向漏电，改善器件性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种空气桥结构肖特基栅控二极管器件，其结构由下往上依次为衬底，应力缓冲层，GaN沟道层，AlGaN势垒层，GaN盖帽层；所述的GaN沟道层以上有两个凸面：第一凸面和第二凸面，GaN沟道层、AlGaN势垒层以及GaN盖帽层位于两个凸面上；在第一凸面上刻蚀出一个圆柱状小孔，小孔刻蚀深度最少要刻到GaN沟道层；第一凸面的GaN盖帽层上分别沉积有欧姆接触金属和肖特基接触金属，所述肖特基金属分为内外两层不同金属，内层肖特基金属沉积在圆柱状小孔内壁及圆柱底部，外层肖特基金属以环形沉积在GaN盖帽层上，欧姆接触金属和肖特基接触金属之间有沟道隔开；在第二凸面上沉积有一层欧姆接触金属；在第一凸面的肖特基接触金属和第二凸面的欧姆接触金属上电镀加厚金，第一凸面的肖特基接触金属上的厚金与第二凸面的欧姆接触金属上的厚金通过镂空厚金空气桥连接。
在本发明中，欧姆接触金属和肖特基接触金属之间有沟道隔开，沟道能隔绝欧姆接触金属和肖特基接触金属直接导通，并且沟道也可填充绝缘的钝化层，钝化层可用来减小材料表面缺陷对异质结沟道二维电子气影响。
在本发明中，所述的第一凸面上的肖特基接触金属分为内外两层不同金属，内层肖特基接触金属沉积在圆柱状小孔的内壁和底部上，外层肖特基接触金属以圆环形结构沉积在GaN盖帽层上，环绕在小孔的端面处。内层肖特基金属沉积在圆柱行小孔侧壁和底部，肖特基金属相当分别与AlGaN材料以及AlGaN/GaN界面相接触，该效果与两个肖特基并联的效果相同，二维电子气相当于金属片，该结构的目的是利用2EDG层截面面积很小，而耗尽区宽度大，故其高频时的电容也很小，从而提升截止频率。同时正向导通时不用克服较高的AlGaN势垒层，减小器件开启电压。
进一步的，所述的沟道深度由沉积金属厚度决定；所述的沟道中填充有绝缘的钝化层。
进一步的，所述的内层肖特基接触金属为低功函数肖特基金属，外层肖特基接触金属为高功函数肖特基金属。高功函数的肖特基栅控结构实现小的反向漏电，低功函金属与异质结直接接触，具有小的开启电压；加正向电压，高功函金属栅控制GaN沟道层开启，低功函数金属与GaN沟道层以及欧姆接触形成电流通道；加一定反向偏压，高功函数金属栅控制GaN沟道层关闭，耗尽二维电子浓度。
进一步的，内层肖特基金属的边界和外层肖特基金属的边界直接相连，且外层肖特基金属可完全覆盖内层肖特基金属，所述外层肖特基金属不能直接与圆柱小孔侧壁和底部接触。
进一步的，凸面A上GaN层沉积的肖特基金属面积足够小，是为了减小高频时的寄生电容。AlGaN势垒层厚度较薄，Al成分较低。
进一步的，第一凸面上的厚金高度值与第二凸面上的厚金高度值相同。
进一步地，所述的空气桥呈指状结构，第一凸面欧姆接触金属作为一个电极，第二凸面欧姆接触金属作为第二个电极，电流通过第二凸面欧姆接触金属、指状空气桥、肖特基接触、二维电子气、第二凸面欧姆接触金属导通。两个凸面直接通过刻蚀刻断连接，空气桥下方为镂空状态，空气桥呈指状但不限于指状。
在本发明中，第一凸面肖特基上厚金与第二凸面上厚金通过空气桥（空气桥厚度2~3um）连接，第二凸面上厚金面积较大，用于扎针。本发明中，所述第二凸面上厚金高度与第一凸面肖特基上厚金高度一致，该设计空气桥稳定。
第一凸面外层换状肖特基金属不仅仅有起镀层作用，更有栅控作用，当反向偏压较大时，耗尽GaN沟道层的二维电子气，减小反向漏电和增大反向击穿电压。
该肖特基二极管具有正向开启电压小，反向漏电流小，工作频率高等特点。
本发明还提供一种空气桥结构肖特基栅控二极管器件的制作方法，包括以下步骤：
S1. 在衬底上依次生长应力缓冲层，GaN沟道层，AlGaN势垒层与GaN盖帽层；
S2. 刻蚀GaN盖帽层、AlGaN势垒层至GaN沟道层一定深度，形成第一凸面和第二凸面；同时，在第一凸面上形成一个圆柱行小孔；
S3. 分别蒸镀欧姆接触金属和两种不同的肖特基接触金属；
S4. 利用光刻胶隔离第一凸面上的肖特基接触金属和欧姆接触金属，且开出需要加厚金属这部分的窗口；
S5. 电镀加厚肖特基接触金属、空气桥和第二凸面上的欧姆接触金属；
S6. 溶解剥离光刻胶，形成空气桥结构肖特基栅控二极管。
进一步的，所述的步骤S2中的刻蚀方法为干法刻蚀，使用的气体环境为Cl2和BCl3。
进一步的，沉积金属的方法包括旋涂、蒸镀、电镀、物理气相沉积、化学气相沉积或磁控溅射法的任一种或组合。
该肖特基二极管可通过剥离金属Pad集成到射频电路中，利用其强非线性实现混频倍频效果，空气桥结构有助于减小高频情况下寄生电容，实现高频段下的持续工作。高功函数的肖特基栅控结构实现小的反向漏电，低功函金属与异质结直接接触，具有小的开启电压。
通过以上方法制备的空气桥肖特基栅控二极管具有正向导通电压低、反向漏电小、截止频率高、能量消耗低、非线性强等优点，其制成的混频倍频器能实现太赫兹波段的频谱搬移功能，用于优良的太赫兹源及接收器。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种空气桥结构肖特基栅控二极管器件及其制作方法，高功函数的肖特基栅控结构实现小的反向漏电，低功函金属与异质结直接接触，具有小的开启电压。加正向电压，高功函金属栅控制GaN沟道层开启，低功函数金属与GaN沟道层以及欧姆接触形成电流通道；加一定反向偏压，高功函数金属栅控制GaN沟道层关闭，耗尽二维电子浓度；通过类似双金属通道结构，可以同时满足开启电压小，反向漏电小的优良性能，本发明提供的器件尺寸小，工艺制作简单，可重复性高。
附图说明
图1是本发明空气桥结构肖特基二极部分结构剖面图。
图2是本发明空气桥结构肖特基二极管第一凸面剖面结构示意图。
图3至图6是本发明实施例1的制备流程示意图。
图7是本发明实施例2空气桥结构肖特基二极管部分剖面结构示意图。
图8是本发明实施例3第一凸面俯视示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
如图1-6所示，一种空气桥结构肖特基栅控二极管器件，其中，由下往上，依次是衬底1，应力缓冲层2，GaN沟道层3，AlGaN势垒层4，GaN盖帽层5；所述GaN沟道层3以上有两个凸面（第一凸面7和第二凸面6），凸面包含部分GaN沟道层3和AlGaN势垒层4以及GaN盖帽层5。第一凸面7表面有一个圆柱形小孔8，深度和凸面的高度一致。分别沉积两层不同肖特基金属10,11和欧姆接触金属9，内层肖特基金属11沉积在圆柱形侧壁及底面，外层肖特基金属10沉积在AlGaN表面以环状形式包围内侧肖特基金属11，两种肖特基金属10,11边界直接连接。所述外层肖特基金属10与欧姆接触金属9以沟道12隔开。肖特基接触10,11通过加厚金形式引出镂空空气桥13，接入另一个凸面方便扎针。
实施例2
本实施例和实施例1类似，区别在于，如图7所示，GaN盖帽层5表面和侧壁的AlGaN/GaN异质结界面都沉积欧姆接触金属9。
实施例3
本实施例和实施例1类似，如图8所示，区别在于，把隔离肖特基接触10,11和欧姆接触金属9的沟道12改成非半圆形，同时，圆环状肖特基栅控金属即实施例1中的外层肖特基接触金属10改成非圆环状。且空气桥13为指状。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种空气桥结构肖特基栅控二极管器件，其特征在于，由下往上，依次是衬底（1），应力缓冲层（2），GaN沟道层（3），AlGaN势垒层（4），GaN盖帽层（5）；所述GaN沟道层（3）以上有两个凸面：第一凸面（7）和第二凸面（6），GaN沟道层（3）和AlGaN势垒层（4）以及GaN盖帽层（5）在两个凸面上；所述第一凸面（7）上刻蚀出一个圆柱状小孔（8），小孔（8）最少需要刻蚀至GaN沟道层（3），第一凸面（7）GaN盖帽层（5）上分别沉积欧姆接触金属（9）和肖特基接触金属（10,11），欧姆接触金属（9）和肖特基接触金属（10,11）之间有沟道（12）隔开，所述肖特基金属分为内外两层不同金属，内层肖特基金属（11）沉积在圆柱状小孔（8）内壁及圆柱底部，外层肖特基金属（10）以圆环形包围内层肖特基金属（11）形式沉积在GaN盖帽层（5）上；其中肖特基接触上加厚金；第二凸面（6）上有一层欧姆接触金属（9）且加厚金，所述肖特基上厚金与第二凸面（6）上厚金有空气桥（13）连接。
2.根据权利要求1所述的一种空气桥结构肖特基栅控二极管器件，其特征在于，所述的沟道（12）深度由沉积金属厚度决定。
3.根据权利要求2所述的一种空气桥结构肖特基栅控二极管器件，其特征在于，所述的沟道（12）中填充有绝缘的钝化层。
4.根据权利要求1所述的一种空气桥结构肖特基栅控二极管器件，其特征在于，所述的内层肖特基接触金属（11）为低功函数肖特基金属，外层肖特基接触金属（10）为高功函数肖特基金属。
5.根据权利要求2所述的一种空气桥结构肖特基栅控二极管器件，其特征在于，内层肖特基金属（11）的边界和外层肖特基金属（10）的边界直接相连，或外层肖特基金属（10）可完全覆盖内层肖特基金属（11），所述外层肖特基金属（10）不能直接与圆柱小孔（8）侧壁和底部接触。
6.根据权利要求5所述的一种空气桥结构肖特基栅控二极管器件，其特征在于，第一凸面（7）上的厚金高度值与第二凸面（6）上的厚金高度值相同。
7.根据权利要求5所述的一种空气桥结构肖特基栅控二极管器件，其特征在于，所述的空气桥（13）呈指状结构，第一凸面（7）欧姆接触金属（9）作为一个电极，第二凸面（6）欧姆接触金属（9）作为第二个电极，电流通过第二凸面（6）欧姆接触金属（9）、指状空气桥（13）、肖特基接触、二维电子气、第二凸面（6）欧姆接触金属（9）导通。
8.根据权利要求7所述的一种空气桥结构肖特基栅控二极管器件，其特征在于：指状空气桥（13）和肖特基金属上的厚金连接，桥下属于刻蚀镂空状态，且刻蚀深度最少需要刻断二维电子气。
9.一种权利要求1至8任一项所述的空气桥结构肖特基栅控二极管器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 在衬底（1）上依次生长应力缓冲层（2），GaN沟道层（3），AlGaN势垒层（4）与GaN盖帽层（5）；
S2. 刻蚀GaN盖帽层（5）、AlGaN势垒层（4）至GaN沟道层（3）一定深度，形成第一凸面（7）和第二凸面（6）；同时，在第一凸面（7）上形成一个圆柱行小孔（8）；
S3. 分别蒸镀欧姆接触金属（9）和两种不同的肖特基接触金属（10,11）；
S4. 利用光刻胶隔离第一凸面（7）上的肖特基接触金属（10,11）和欧姆接触金属（9），且开出需要加厚金属这部分的窗口；
S5. 电镀加厚肖特基接触金属（10,11）、空气桥（13）和第二凸面（6）上的欧姆接触接触；
S6. 溶解剥离光刻胶，形成空气桥（13）结构肖特基栅控二极管。
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