CN110729351B - 大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管及制备方法 - Google Patents
大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管及其制备方法，主要解决目前GaN准垂直pn结二极管输出功率无法满足更高功率需求的问题。其自下而上包括：衬底(1)、缓冲层(2)和n型GaN层(3)，n型GaN层(3)的上部设有p型GaN层(4)和阴极(5)，p型GaN层(4)的上部设有阳极(6)，该阴极和阳极采用环形叉指结构，即阳极是以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构；阴极是分布在阳极环之间的多个开口圆环，形成阳极环与阴极环的同心环形交替嵌套结构。本发明降低了电场的边缘效应，并通过多层环形互连提高了GaN准垂直二极管输出功率密度，可用于微波整流、功率开关电路。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，尤其是涉及GaN pn结二极管器件，可用于微波整流、功率开关电路。
技术背景
以Si、GaAs等传统半导体材料为基础的器件由于受到材料本身属性的限制，在功率和耐击穿电压等器件指标上很难再有进一步的提高。近年来以Ⅲ族氮化物为代表的新一代宽禁带半导体材料发展迅猛，具有宽带隙、高饱和电子漂移速度、高临界击穿场强、高热导率和化学性质稳定的优点，在毫米波、亚毫米波大功率电子器件领域极具发展潜力。GaN材料作为宽禁带半导体材料的典型代表，非常适合制备高温、抗辐射、高工作频率和大功率器件，在航空航天、雷达、通信等领域得到了广泛应用，目前基于GaN的二极管器件的研究是目前国际上的热点之一。
通常，GaN的二极管器件分为横向器件和垂直器件以及准垂直器件。其中：
GaN横向二极管器件，由于受限于电流拥挤，难以获得高输出电流，且作为平面器件，器件特性很容易受到表面态的影响，产生电流崩塌等负面效应。
GaN垂直二极管器件，能克服GaN横向二极管器件的上述问题：首先，由于采用的是垂直漂移层结构耐压，GaN材料的临界击穿场强很高，具有很高的击穿电压；其次，由于导电在内部而不是表面，避免了表面态的影响，器件动态特性很好，同时由于导电通道在很厚的外延层，没有电流拥挤的限制。但是，垂直二极管器件需要在GaN自支撑衬底的外延片上制备，成本较高。
GaN准垂直pn结二极管器件，如图1所示，其自下而上包括衬底、缓冲层、n型GaN层、p型GaN层，n型GaN层上设有阴极，p型GaN层上设有阳极。这种结构可以在非GaN自支撑衬底上生长，例如蓝宝石或硅，与GaN自支撑衬底上制造的昂贵的垂直二极管相比，能够降低生产成本。但是，由于目前准垂直结构pn结二极管的常规环形金属电极具有边缘效应，电流密度从阳极边缘到中心随距离增大而指数衰减，电流集中在阳极金属的边缘，导致阳极金属的大部分区域对输出电流贡献很小，即增大器件的特征导通电阻，限制了器件的输出功率，使阳极的大部分区域被浪费了，降低了器件的输出电流密度，难以满足二极管器件在功率开关电路中的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对上述GaN准垂直pn结二极管器件的不足，提出一种大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管及其制备方法，以提高阳极金属的面积利用率，增大器件输出电流密度，扩展器件的输出功率，满足二极管器件在功率开关电路中的应用。
实现本发明目的的技术方案如下：
1.大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管，自下而上包括：衬底、缓冲层和n型GaN层，n型GaN层的上部设有p型GaN层和阴极，p型GaN层的上部设有阳极，其特征在于，阴极和阳极采用环形叉指结构，即阳极是以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构；阴极是分布在阳极环之间的多个开口圆环，形成阳极环与阴极环的同心环形交替嵌套结构。
进一步，所述的衬底为蓝宝石、SiC、Si和金刚石中的一种。
进一步，所述的缓冲层为GaN、AlN、AlGaN和InGaN中的一种。进一步，所述的阴极采用厚度为22/140/55/45nm的Ti/Al/Ni/Au，或者厚度为22/140/50/45nm的Ti/Al/Pt/Au。
进一步，所述的阳极，金属采用厚度为120-300nm的Ni/Au或Pt/Au。
进一步，所述的阴极的同心开口圆环间距为20-40μm，同心开口圆环宽度为1-10μm，且开口圆环的数量大于等于2。
进一步，所述的阳极的中心实心圆半径为0.5-10μm，同心开口圆环间距为20-40μm，同心开口圆环宽度为1-10μm，且中心实心圆与开口圆环的数量之和大于等于2。
2.一种大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对自下而上包括衬底、缓冲层、n型GaN层、p型GaN层的外延片材料，依次使用丙酮、异丙醇，去离子水进行3-5min的超声清洗；
2)在清洗后的外延片材料上进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极凹槽图形；采用RIE或者ICP刻蚀设备，刻蚀去除图形区域的p型GaN，获得阴极凹槽；然后将刻蚀后的外延片放置在RTP快速热退火炉中，在N2氛围中退火，在400-500℃的低温下，退火5min，修复刻蚀损伤；
3)制作阴极
将完成低温退火的外延片材料进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极图形；
采用E-beam设备以0.1-0.3nm/s的蒸发速率制作厚度为22/140/55/45nm的Ti/Al/Ni/Au阴极金属，或者厚度为22/140/50/45nm的Ti/Al/Pt/Au阴极金属；
在阴极金属蒸发完成后进行剥离，并使用RTP快速热退火炉进行退火，使阴极金属与n型GaN层形成欧姆接触，得到阴极；
4)制作阳极
将完成阴极制作的外延片材料进行光刻，得到以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构的阳极图形；
采用E-beam设备以0.1-0.3nm/s的蒸发速率制作阳极金属，阳极金属采用厚度为120-300nm的Ni/Au或Pt/Au或Pd/Au；
在阳极金属蒸发完成后进行剥离，再使用RTP快速热退火炉进行退火，使阳极金属与p型GaN层形成欧姆接触，得到阳极，完成器件制作。
本发明与常规环形准垂直GaN pn结二极管相比，具有如下有益效果：
1.本发明由于采用多层环形结构，降低了边缘效应的影响，提高了阳极的电流密度，能够满足大功率器件的需求。
2.本发明由于采用多层环形结构，提高了阳极的面积利用率，在同等输出功率下，器件的占用面积降低，器件尺寸缩小，从而能降低生产成本。
3.本发明制作工艺简单，成品率高。
附图说明
图1为现有的环形GaN准垂直pn结二极管器件的结构示意图；
图2为本发明的GaN pn结二极管器件的结构示意图；
图3为本发明的GaN pn结二极管器件的俯视图；
图4为本发明制作GaN pn结二极管的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明。
参照图2和图3，本发明大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管，自下而上包括：衬底1、缓冲层2和n型GaN层3，n型GaN层3的上部设有p型GaN层4和阴极5，p型GaN层4的上部设有阳极6，其中阴极5和阳极6采用环形叉指结构，即阳极6是以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构；阴极5是分布在阳极环之间的多个开口圆环，形成阳极环与阴极环的同心环形交替嵌套结构。
所述的衬底1为蓝宝石、SiC、Si、GaN、AlN和金刚石中的一种；所述的缓冲层2采用GaN、AlN、AlGaN和InGaN中的一种；所述的阴极5采用厚度为22/140/55/45nm的Ti/Al/Ni/Au，或者厚度为22/140/50/45nm的Ti/Al/Pt/Au；所述阳极6采用厚度为120-300nm的Ni/Au或Pt/Au或Pd/Au金属；所述的阴极5的同心开口圆环间距为20-40μm，同心开口圆环宽度为1-10μm，且开口圆环的数量大于等于2，本实例取值为2，但不限于开口圆环的数量为2个；所述的阳极6的中心实心圆半径为0.5-10μm，同心开口圆环间距为20-40μm，同心开口圆环宽度为1-10μm，且中心实心圆与开口圆环的数量之和大于等于2，本实例取值为2，但不限于中心实心圆与开口圆环的数量之和为2个。
参照图4，本发明制备一种大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管的方法，给出如下的三个实施例。
实施例1，制作阴极金属为Ti/Al/Ni/Au、阳极金属为Ni/Au的GaN pn结二极管。
步骤1：清洗外延片材料。
选用自下而上包括SiC衬底、GaN缓冲层、n型GaN层、p型GaN层的外延片材料，如图4(a)；
先使用丙酮超声清洗5min，然后使用异丙醇丙酮超声清洗5min，最后使用去离子水超声清洗3min，并使用高纯氮气吹干外延片表面的水珠。
步骤2：制作阴极凹槽，如图4(b)。
在清洗后的外延片材料上进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极凹槽图形；
将光刻后的外延片材料放入RIE刻蚀设备刻蚀腔内，同时通入气体流量为10sccm的Cl2和气体流量为20sccm的BCl3，刻蚀去除图形区域的p型GaN，获得阴极凹槽；
将刻蚀后的外延片放置在RTP快速热退火炉中，在退火炉内通入N2，在400℃的低温下，退火5min，修复刻蚀损伤。
步骤3：制作阴极，如图4(c)。
将完成低温退火的外延片材料进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极图形，其中阴极的同心开口圆环间距为40μm，同心开口圆环宽度为10μm，且开口圆环的数量为2；
使用E-beam设备以0.1nm/s的蒸发速率制作厚度为22/140/55/45nm的Ti/Al/Ni/Au阴极金属；
在阴极金属蒸发完成后进行剥离，并使用RTP快速热退火炉对剥离后的外延片进行退火，即在退火炉内通入N2，在860℃下退火30s，使得退火后的阴极金属与n型GaN层形成欧姆接触，得到阴极。
步骤4：制作阳极，如图4(d)。
将完成阴极制作的外延片材料进行光刻，得到以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构的阳极图形，其中阳极的中心实心圆半径为0.5μm，同心开口圆环间距为20μm，同心开口圆环宽度为1μm，且中心实心圆与开口圆环的数量之和为2；
采用E-beam设备以0.1nm/s的蒸发速率制作厚度为120nm的Ni/Au阳极金属；
在阳极金属蒸发完成后进行剥离，并使用RTP快速热退火炉对剥离后的外延片进行退火，即在退火炉内通入N2，在740℃下退火30s，使得退火后的阳极金属与p型GaN层形成欧姆接触，得到阳极，完成器件制作。
实施例2，制作阴极金属为Ti/Al/Pt/Au、阳极金属为Ni/Au的GaN pn结二极管。
步骤一：清洗外延片材料。
选用自下而上包括Si衬底、Al0.05Ga0.95N缓冲层、n型GaN层、p型GaN层的外延片材料，如图4(a)；
先使用丙酮超声清洗3min，然后使用异丙醇丙酮超声清洗4min，最后使用去离子水超声清洗4min，并使用高纯氮气吹干外延片表面的水珠。
步骤二：制作阴极凹槽，如图4(b)。
2.1)在清洗后的外延片材料上进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极凹槽图形；
2.2)将光刻后的外延片材料放入ICP刻蚀设备刻蚀腔内，同时通入气体流量为10sccm的Cl2和气体流量为20sccm的BCl3，刻蚀去除图形区域的p型GaN，获得阴极凹槽；
2.3)将刻蚀后的外延片放置在RTP快速热退火炉中，在退火炉内通入N2，在450℃的低温下，退火5min，修复刻蚀损伤。
步骤三：制作阴极，如图4(c)。
3.1)将完成低温退火的外延片材料进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极图形，其中阴极的同心开口圆环间距为30μm，同心开口圆环宽度为5μm，且开口圆环的数量为10；
3.2)使用E-beam设备以0.2nm/s的蒸发速率制作厚度为22/140/50/45nm的Ti/Al/Pt/Au阴极金属；
3.3)在阴极金属蒸发完成后进行剥离，并使用RTP快速热退火炉对剥离后的外延片进行退火，即在退火炉内通入N2，在900℃下退火30s，使得退火后的阴极金属与n型GaN层形成欧姆接触，得到阴极。
步骤四：制作阳极，如图4(d)。
4.1)将完成阴极制作的外延片材料进行光刻，得到以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构的阳极图形，其中阳极的中心实心圆半径为5μm，同心开口圆环间距为30μm，同心开口圆环宽度为5μm，且中心实心圆与开口圆环的数量之和为10；
4.2)采用E-beam设备以0.2nm/s的蒸发速率制作厚度为210nm的Ni/Au阳极金属；
4.3)在阳极金属蒸发完成后进行剥离，并使用RTP快速热退火炉对剥离后的外延片进行退火，即在退火炉内通入N2，在760℃下退火30s，使得退火后的阳极金属与p型GaN层形成欧姆接触，得到阳极，完成器件制作。
实施例3，制作阴极金属为Ti/Al/Pt/Au、阳极金属为Pt/Au的GaN pn结二极管。
步骤A：清洗外延片材料。
选用自下而上包括蓝宝石衬底、In0.17Ga0.83N缓冲层、n型GaN层、p型GaN层的外延片材料，如图4(a)；
先使用丙酮超声清洗4min，然后使用异丙醇丙酮超声清洗3min，最后使用去离子水超声清洗5min，并使用高纯氮气吹干外延片表面的水珠。
步骤B：制作阴极凹槽，如图4(b)。
B1)制作阴极凹槽；
本步骤的具体实施与实施例2的步骤2.1)和步骤2.2)相同；
B2)将刻蚀后的外延片放置在RTP快速热退火炉中，在退火炉内通入N2，在500℃的低温下，退火5min，修复刻蚀损伤。
步骤C：制作阴极，如图4(c)。
C1)将完成低温退火的外延片材料进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极图形，其中阴极的同心开口圆环间距为20μm，同心开口圆环宽度为1μm，且开口圆环的数量为20；
C2)使用E-beam设备以0.3nm/s的蒸发速率制作厚度为22/140/50/45nm的Ti/Al/Pt/Au阴极金属；
C3)在阴极金属蒸发完成后进行剥离，并使用RTP快速热退火炉对剥离后的外延片进行退火，即在退火炉内通入N2，在820℃下退火30s，使得退火后的阴极金属与n型GaN层形成欧姆接触，得到阴极。
步骤D：制作阳极，如图4(d)。
D1)将完成阴极制作的外延片材料进行光刻，得到以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构的阳极图形，其中阳极的中心实心圆半径为10μm，同心开口圆环间距为40μm，同心开口圆环宽度为10μm，且中心实心圆与开口圆环的数量之和为20；
D2)采用E-beam设备以0.3nm/s的蒸发速率制作厚度为300nm的Pt/Au阳极金属；
D3)在阳极金属蒸发完成后进行剥离，并使用RTP快速热退火炉对剥离后的外延片进行退火，即在退火炉内通入N2，在720℃下退火30s，使得退火后的阳极金属与p型GaN层形成欧姆接触，得到阳极，完成器件制作。
以上所述实施例仅表达了本发明的三种实施方式，并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管，自下而上包括：衬底(1)、缓冲层(2)和n型GaN层(3)，n型GaN层(3)的上部设有p型GaN层(4)和阴极(5)，p型GaN层(4)的上部设有阳极(6)，其特征在于，阴极(5)和阳极(6)采用环形叉指结构，即阳极(6)是以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构；阴极(5)是分布在阳极环之间的多个开口圆环，形成阳极环与阴极环的同心环形交替嵌套结构。
2.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述的衬底(1)为蓝宝石、SiC、Si和金刚石中的一种。
3.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述的缓冲层(2)为GaN、AlN、AlGaN和InGaN中的一种。
4.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述的阴极(5)采用厚度为22/140/55/45nm的Ti/Al/Ni/Au，或者厚度为22/140/50/45nm的Ti/Al/Pt/Au。
5.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述的阳极(6)，金属采用厚度为120-300nm的Ni/Au或Pt/Au。
6.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述的阴极(5)的同心开口圆环间距为20-40μm，同心开口圆环宽度为1-10μm，且开口圆环的数量大于等于2。
7.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述的阳极(6)的中心实心圆半径为0.5-10μm，同心开口圆环间距为20-40μm，同心开口圆环宽度为1-10μm，且中心实心圆与开口圆环的数量之和大于等于2。
8.一种大功率阴阳极环形叉指GaN准垂直pn结二极管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)对自下而上包括衬底、缓冲层、n型GaN层、p型GaN层的外延片材料，依次使用丙酮、异丙醇，去离子水进行3-5min的超声清洗；
2)在清洗后的外延片材料上进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极凹槽图形；采用RIE或者ICP刻蚀设备，刻蚀去除图形区域的p型GaN，获得阴极凹槽；然后将刻蚀后的外延片放置在RTP快速热退火炉中，在N2氛围中退火，在400-500℃的低温下，退火5min，修复刻蚀损伤；
3)制作阴极
将完成低温退火的外延片材料进行光刻，得到具有多个开口同心圆环的阴极图形；
采用E-beam设备以0.1-0.3nm/s的蒸发速率制作厚度为22/140/55/45nm的Ti/Al/Ni/Au阴极金属，或者厚度为22/140/50/45nm的Ti/Al/Pt/Au阴极金属；
在阴极金属蒸发完成后进行剥离，并使用RTP快速热退火炉进行退火，使阴极金属与n型GaN层形成欧姆接触，得到阴极；
4)制作阳极
将完成阴极制作的外延片材料进行光刻，得到以实心圆为中心，外部分布多个开口圆环的同心结构的阳极图形；
采用E-beam设备以0.1-0.3nm/s的蒸发速率制作阳极金属，阳极金属采用厚度为120-300nm的Ni/Au或Pt/Au或Pd/Au；
在阳极金属蒸发完成后进行剥离，再使用RTP快速热退火炉进行退火，使阳极金属与p型GaN层形成欧姆接触，得到阳极，完成器件制作。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其中2)采用RIE或者ICP刻蚀设备在阴极凹槽图形区域刻蚀去除p型GaN层，使用的刻蚀气体为Cl2和BCl3，流量分别10/20sccm。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其中：
步骤3)中使用RTP快速热退火炉退火的工艺条件是：在N2氛围中进行，设置温度为820-900℃，退火时间为30s；
步骤4)中使用RTP快速热退火炉退火的工艺条件是：在N2氛围中进行，设置温度为720-760℃，退火时间为30s。
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