CN109873031A - 一种石墨烯辅助GaN整流器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯辅助GaN整流器及其制备方法。该制备方法中包含在制备初级电极的外延片上转移石墨烯，在转移了石墨烯的外延片上进行光刻显影，在光刻显影后的外延片上蒸镀金属层，在蒸镀完金属层的外延片上去胶，在去胶后的外延片上去除多余石墨烯，去除多余石墨烯的外延片上肖特基电极部分蒸镀肖特基金属，在蒸镀肖特基金属的外延片上沉积图形化钝化层并在图形化钝化层上沉积顶金属层。所获得的石墨烯辅助GaN整流器可降低GaN整流器高频工作热击穿发生频率并有效增强GaN整流器电极电流扩展能力，并且该石墨烯引入方法可广泛用于多种以AlGaN/GaN异质结为结构基础的GaN整流器结构或III族氮化物功率器件制备中。
Description
技术领域
本发明涉及III族氮化物功率器件领域，具体涉及一种石墨烯辅助GaN整流器及其制备方法。
背景技术
整流器作为一种高速开关转换电子元器件在交通出行、无线充电、电化学工业与未来的卫星传能系统等需要进行交-直流转换的民用或军用电源系统中均有着广泛且不可替代的应用。几乎所有包含用电器的市场生态系统电力来源都转换自交流电，在实际应用中，电力系统传输的交流电输入首先被整流器电路转换为直流电，然后被升压至一个与稳定电平，下游直流-直流转换器将电压转换为一个隔离式标准电压。因此整流器在交-直流转换过程中的能量转换效率便成为关乎电力系统用电效率提升不可忽视的一环。
传统整流器元器件应用主要为Si MOSFET。在Si MOSFET技术兴起和发展的过去近三十年时间里，电力转换效率得到大规模提升。自2007年生效以来，Energy Star(能源之星)80PLUS效率评价技术规范将针对交-直流整流器效率重要等级从黄金级不断升高到白金级再到钛金级。市场需求的不断扩大给整流器元器件市场带来了巨大的机遇与挑战。然而，由于硅材料本身材料特性限制及与等级相关的设计挑战来临，电力转换效率提升速度趋于平缓，逐渐难以满足日益上升的电力系统容量与市场强大需求。此外，以Si作为材料基底的MOSFET器件在工作速度方面受器件运行机理限制严重，器件最高开关速度只能达到～MHz工作频率，严重限制了整流元器件在中、高频领域的拓展应用。
与此同时，在Si的理论极限不断逼近的今天，以氮化镓(GaN)为代表的III族氮化物体系以其特有的材料优越性而受到广泛的关注，被称为制备高频、高功率整流器件的理想材料，也是传统Si MOSFET的完美替代者。相同工作电压下，目前报道的GaN器件电能转换效率一般比Si器件高3-5％，且其工作频率可达到10～100MHz，并且有继续提升的巨大优势。但是目前GaN整流器的制备与发展仍处于起步阶段，如何实现更高功率密度、高频应用、光电集成与解决高频工作器件失效等问题仍是竖立在GaN整流器件商用化道路上的几座大山。在电源电路应用中，功率开关器件工作频率的提升不仅代表高频应用，更能够大幅降低电源管理系统中电感、电容等无源器件的体积，从而缩小电源管理系统整体体积，使设备能更快达到小型化、轻量化。因此，提高GaN整流器功率密度与高频散热的问题在GaN整流器制备中便显得尤为重要。
发明内容
为了克服上述缺点与不足，本发明的目的在于提出一种石墨烯辅助GaN整流器及其制备方法，该方法在GaN整流器原型结构对二维石墨烯材料的应用方法，具有与现有CMOS制备工艺与GaN整流器结构相容性高，可预防GaN整流器高频工作热击穿的发生并有效增强GaN整流器电极电流扩展能力。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种石墨烯辅助GaN整流器，包括外延片1，分别设置在外延片1上表面两侧且不互联的初级肖特基电极2和初级欧姆电极3，设置在初级肖特基电极2和初级欧姆电极3上方的石墨烯层4，设置在石墨烯层4上的金属层5，设置在肖特基电极部分金属层5上的肖特基金属层6，设置在欧姆电极石墨烯层上金属层同肖特基电极部分肖特基金属层上方的图形化钝化层7，设置在图形钝化层7开口处即肖特基电极部分肖特基金属层6与欧姆电极部分金属层5上方的顶电极层8；所述肖特基金属层6将初级肖特基电极2、初级肖特基电极上方的石墨烯层4和金属层5裸露在空气处所有区域包裹在内。
优选的，所述外延片为AlGaN/GaN外延片。
优选的，所述初级肖特基电极2和初级欧姆电极3的厚度为50～200nm。
优选的，所述生长在外延片上初级金属层包含制备好的初级欧姆接触与肖特基接触，两电极分别位于器件区域两侧，两电极之间严格不互联，两电极之间相对位置由器件电极图案设计决定。
优选的，所述初级肖特基电极2和初级欧姆电极3的顶端接触层厚度为20～100nm，材料为导电性良好、适用于电极顶层制作的惰性良金属。
优选的，所述石墨烯层4的材料为单晶石墨烯或多晶石墨烯；其中石墨烯材料层数为1～20原子层。
优选的，所述金属层5为导电性良好、适用于电极顶层制作的惰性良金属，厚度为20～150nm。
优选的，所述图形化钝化层7的材料为SiNx、SiO2或者Al2O3，其中x为3-5；所述图形化钝化层的厚度为150-500nm。
优选的，所述顶电极层8的材料为导电性良好、适用于电极顶层制作的惰性良金属，厚度为100～300nm。
优选的，整流器肖特基电极部分结构从下往上依次为：初级肖特基电极，初级肖特基电极上方的石墨烯层，石墨烯层上方的金属层，金属层上方的肖特基金属层，肖特基金属层上方的顶电极层。
进一步优选的，所述惰性良金属为黄金或铂金。
以上所述的一种石墨烯辅助GaN整流器的制备方法，包含以下步骤：
(1)外延片表面清洗；
(2)外延片表面对准标记刻蚀；
(3)台面隔离；
(4)外延片表面初级电极制备：采用电子束蒸发的方法，不外加衬底温度，先后蒸镀初级欧姆电极与初级肖特基电极；
(5)石墨烯层转移：在步骤(4)所得的初级欧姆电极与初级肖特基电极上通过水转移-烘干方法贴附石墨烯层；
(6)石墨烯层上金属蒸镀：对步骤(5)完成石墨烯层贴附外延片进行光刻掩模，显影暴露出电极区域后，通过电子束蒸发，不外加衬底温度情况下，蒸镀石墨烯层上金属后进行图形化去胶操作；
(7)多余石墨层的去除：再次对外延片进行光刻掩模，将无金属沉积的石墨烯层区域显影暴露出来，随后采用干法刻蚀手段，对片上暴露出的石墨烯膜层进行刻蚀，去除片上多余石墨烯区域，实现石墨烯层图形化并进行去胶操作；
(8)金属层上方肖特基金属层制备：对步骤(7)得到的外延片进行光刻掩模，显影暴露出肖特基电极部分金属层图案且显影出图案边缘应略宽于已有肖特基电极图案边缘，与已有图案边缘距离为20～50nm，随后利用电子束蒸发在无外加衬底温度条件下蒸镀金属层上方肖特基金属层并进行去胶操作并在N2条件下退火；
(9)图形化钝化层沉积：采用CVD方法在外延片表面沉积隔离层，随后光刻掩模将需制备顶电极区域暴露出来，通过湿法腐蚀或干法腐蚀的方法将顶电极区域暴露出来；
(10)顶电极沉积：在步骤(9)处理后的外延片上，采用光刻显影暴露出顶电极区域，随后采用磁控溅射/电子束蒸发方法，不外加衬底温度，制备顶电极层。
优选的，步骤(7)所述干法刻蚀手段为反应离子刻蚀或激光刻蚀技术。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明在GaN整流器结构中引入具有高导电与导热特性的石墨烯材料作为插入层，有效在GaN整流器工作过程中实现高效电流传导与分散，抑制器件由于电流集中器件击穿问题的发生，提高器件稳定性。同时利用石墨烯材料快速导热的优点，有利于在高频工作下实现产生热的快速导出，抑制器件热击穿的发生；
(2)本发明对石墨烯二维材料在器件中应用工艺过程进行特殊设计，通过工序优化可有效解决石墨烯二维材料在器件应用中由于贴附不稳产生的脱附现象，可大幅提高器件加工过程中成品率；
(3)本发明与现有CMOS制备工艺技术与GaN整流器结构相容性高，石墨烯引入方法可广泛应用于多种III族氮化物功率器件中。
附图说明
图1是实施例1制备的石墨烯辅助GaN整流器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
本发明的石墨烯辅助GaN整流器的结构示意图如图1所示，包括外延片1，分别设置在外延片1上表面两侧且不互联的初级肖特基电极2和初级欧姆电极3，设置在初级肖特基电极2和初级欧姆电极3上方的石墨烯层4，设置在石墨烯层4上的金属层5，设置在肖特基电极部分金属层5上的肖特基金属层6，设置在欧姆电极部分石墨烯层上金属层5、肖特基电极部分肖特基金属层6与外延片1表面无电极区域上方的图形化钝化层7，设置在图形钝化层7开口处即肖特基电极部分肖特基金属层6与欧姆电极部分金属层5上方的顶电极层8；所述肖特基金属层6将初级肖特基电极2、初级肖特基电极上方的石墨烯层4和金属层5裸露在空气处所有区域包裹在内。
实施例1
本实施例的石墨烯辅助GaN整流器的制备方法包括以下步骤：
(1)外延片表面清洗：将AlGaN/GaN外延片依次置于丙酮、异丙醇、无水乙醇、去离子水中超声5min，随后拿出经高纯氮气吹干；
(2)外延片表面对准标记刻蚀：在外延片表面旋转涂覆厚度为2um的光刻胶，随后通过光刻、显影的方式将光刻掩模版上的对准标记暴露在外延片上，随后将光刻完成的外延片置于ICP设备中，刻蚀45s，将对准标记通过刻蚀复刻到外延片上，随后将外延片置于去胶液中超声清洗5min，去除外延片表面多余光刻胶。
(3)台面隔离：仍然在完成对准标记刻蚀的外延片旋转涂覆2um的光刻胶，通过对准标记对准后，利用光刻、显影的方式将器件区域划分出来，随后再次将光刻完成的外延片置于ICP设备中，刻蚀180s，将器件区域之间沟道开始到沟道区域以下，防止后续制备器件互联。
(4)衬底表面初级肖特基电极2和初级欧姆电极3制备：采用光刻、显影的方法按照光刻掩模版上欧姆/肖特基电极区域图形设计，分别暴露初级欧姆、肖特基电极位置，采用电子束蒸发的方法，不外加衬底温度，腔室真空度为9×10-4Pa，先后蒸镀厚度为250nm初级欧姆电极和150nm初级肖特基电极，该初级欧姆电极3金属为Ti/Al/Ni/Au(50nm/100nm/50nm/50nm)，初级肖特基电极2金属为Ni/Au(100nm/50nm)，顶端接触层材料均为Au，厚度为50nm，随后进行去胶操作；
(5)石墨烯层4转移：首先将一片平面尺寸略小于外延片尺寸的5层多晶石墨烯层置于水中，先用石墨烯转移专用PET膜将石墨烯层平稳捞出再进行释放，以去除石墨烯层4与水面之间存在的空气，该过程进行2次，随后将制备初级电极的外延片浸入水中，使用特质夹具夹稳，保持水下外延片与水上石墨烯层空间位置上处于45°夹角，两物质直线距离控制在1cm之内，将盛水容器反方向倾斜同时匀速将外延片拉出水面确认石墨烯层平整贴覆在外延片中心区域，最后用高纯氮气将外延片表面明显水珠吹干后，使用小水流无水乙醇润洗外延片表面后，稀释外延片表面水分残留，放入无鼓风、N2气氛烘箱中，50℃以上温度烘干。
(6)石墨烯层4上金属层5蒸镀：对完成石墨烯层贴附外延片进行2um光刻胶涂覆，光刻、显影暴露出电极区域后，通过电子束蒸发，不外加衬底温度情况下，腔室真空度为9×10-4Pa，蒸镀石墨烯层上金属后进行图形化去胶操作。该金属层厚度为50nm，材料为Au；
(7)多余石墨层的去除：对外延片进行2um光刻胶涂覆，光刻、显影后将无金属沉积的石墨烯层区域显影暴露出来，随后采用ICP刻蚀技术，刻蚀功率50W,刻蚀时间75s，对片上暴露出的石墨烯膜层进行刻蚀，去除片上多余石墨烯区域，实现石墨烯层图形化并进行去胶操作。
(8)金属层5上方肖特基层金属层6制备：对步骤(7)得到外延片进行涂覆2um光刻胶，通过光刻、显影暴露出肖特基电极部分金属层图案与已有图案边缘距离为20nm。随后重复步骤(6)蒸镀工艺，蒸镀并进行去胶操作。随后在N2条件下420℃退火30s；
(9)图形化钝化层7沉积：采用CVD方法在外延片表面沉积200nmSi2Nx(其中x为3-5)隔离层，即图形化钝化层7，随后进行厚度为2um的光刻胶涂覆，光刻、显影将需制备顶电极8区域暴露出来，通过饱和NaOH和30wt.％HCl水溶液分别湿法腐蚀10min将顶电极区域暴露出来。
(10)顶电极8沉积：在步骤(9)处理后的外延片上，旋转涂覆厚度为2um的光刻胶，随后采用光刻、显影暴露出顶电极区域，重复步骤(6)蒸镀工艺，制备厚度为100nm的顶电极层并完成去胶操作。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种石墨烯辅助GaN整流器，其特征在于，包括外延片（1），分别设置在外延片（1）上表面两侧且不互联的初级肖特基电极（2）和初级欧姆电极（3），设置在初级肖特基电极（2）和初级欧姆电极（3）上方的石墨烯层（4），设置在石墨烯层（4）上的金属层（5），设置在肖特基电极部分金属层（5）上的肖特基金属层（6），设置在欧姆电极石墨烯层上金属层同肖特基电极部分肖特基金属层上方的图形化钝化层（7），设置在图形钝化层（7）开口处即肖特基电极部分肖特基金属层（6）与欧姆电极部分金属层（5）上方的顶电极层（8）；所述肖特基金属层（6）将初级肖特基电极（2）、初级肖特基电极上方的石墨烯层（4）和金属层（5）裸露在空气处所有区域包裹在内。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯辅助GaN整流器，其特征在于，所述初级肖特基电极（2）和初级欧姆电极（3）的厚度为50~200 nm。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯辅助GaN整流器，其特征在于，所述初级肖特基电极（2）和初级欧姆电极（3）的顶端接触层厚度为20~100 nm，材料为导电性良好、适用于电极顶层制作的惰性良金属。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯辅助GaN整流器，其特征在于，所述石墨烯层（4）的材料为单晶石墨烯或多晶石墨烯；其中石墨烯材料层数为1~20原子层。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯辅助GaN整流器，其特征在于，所述金属层（5）为导电性良好、适用于电极顶层制作的惰性良金属，厚度为20~150 nm。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯辅助GaN整流器，其特征在于，所述图形化钝化层（7）的材料为SiNx、SiO2或者Al2O3，其中x为3-5；所述图形化钝化层的厚度为150-500 nm。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯辅助GaN整流器，其特征在于，所述顶电极层（8）的材料为导电性良好、适用于电极顶层制作的惰性良金属，厚度为100~300 nm。
8.根据权利要求3或5或7所述的一种石墨烯辅助GaN整流器，其特征在于，所述惰性良金属为黄金或铂金。
9.制备权利要求1所述的一种石墨烯辅助GaN整流器的方法，其特征在于，包含以下步骤：
（1）外延片表面清洗；
（2）外延片表面对准标记刻蚀；
（3）台面隔离；
（4）外延片表面初级电极制备：采用电子束蒸发的方法，不外加衬底温度，先后蒸镀初级欧姆电极与初级肖特基电极；
（5）石墨烯层转移：在步骤（4）所得的初级欧姆电极与初级肖特基电极上通过水转移-烘干方法贴附石墨烯层；
（6）石墨烯层上金属蒸镀：对步骤（5）完成石墨烯层贴附外延片进行光刻掩模，显影暴露出电极区域后，通过电子束蒸发，不外加衬底温度情况下，蒸镀石墨烯层上金属后进行图形化去胶操作；
（7）多余石墨层的去除：再次对外延片进行光刻掩模，将无金属沉积的石墨烯层区域显影暴露出来，随后采用干法刻蚀手段，对片上暴露出的石墨烯膜层进行刻蚀，去除片上多余石墨烯区域，实现石墨烯层图形化并进行去胶操作；
（8）金属层上方肖特基金属层制备：对步骤（7）得到的外延片进行光刻掩模，显影暴露出肖特基电极部分金属层图案且显影出图案边缘应略宽于已有肖特基电极图案边缘，与已有图案边缘距离为20~50 nm，随后利用电子束蒸发在无外加衬底温度条件下蒸镀金属层上方肖特基金属层并进行去胶操作并在N2条件下退火；
（9）图形化钝化层沉积：采用CVD方法在外延片表面沉积隔离层，随后光刻掩模将需制备顶电极区域暴露出来，通过湿法腐蚀或干法腐蚀的方法将顶电极区域暴露出来；
（10）顶电极沉积：在步骤（9）处理后的外延片上，采用光刻显影暴露出顶电极区域，随后采用磁控溅射/电子束蒸发方法，不外加衬底温度，制备顶电极层。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤（7）所述干法刻蚀手段为反应离子刻蚀或激光刻蚀技术。
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