CN110729362A - 基于低功函数阳极金属的低开启电压GaN微波二极管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于低功函数阳极金属的低开启电压GaN微波二极管及制备方法，主要解决GaN微波二极管开启电压较大的问题。本发明的器件是在AlGaN/GaN外延片上进行，该外延片自下而上为衬底(1)、外延缓冲层(2)、GaN沟道层(3)和AlGaN势垒层(4)，在沟道层及势垒层上设有圆形凹槽(5)，凹槽的外围势垒层上设有环形阴极(6)，AlGaN势垒层上凹槽及阴极以外区域设有介质(7)，凹槽的底部、侧壁以及凹槽边缘介质上设有阳极(8)，阳极采用低功函数金属Mo或W与金属Au叠层。本发明可以显著降低GaN微波二极管开启电压，提高器件性能，可广泛应用于微波整流和微波限幅。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种低开启电压GaN微波二极管，可用于微波整流或微波限幅。
技术背景
作为一种宽禁带半导体材料，GaN材料具有极大的电学性能优势，AlGaN/GaN异质结结构因为其强大的自发极化和压电极化效应，会在靠近界面处GaN一侧感生出高浓度的二维电子气，由于电子被限制的势阱中，且该区域杂质掺杂极少，因此电离杂质散射和合金无序散射较小，二维电子气具有极高的迁移率和电子饱和速率，且GaN由于材料固有的宽禁带属性，其临界击穿场强极大，适合制作大功率高频微波器件。但也同样由于其材料属性，GaN材料用于微波二极管器件时，由于金属功函数差较大，器件的肖特基势垒较高，微波二极管开启电压相比于传统Si基及GaAs基二极管大，极大影响其效率。
传统的基于AlGaN/GaN结构的微波二极管多采用Ni、Pt等金属与AlGaN层实现肖特基接触，由于较高的势垒高度，器件开启电压多在1V以上，使得在小功率整流，检波等领域使用受限，因此，制作低开启电压的GaN微波二极管可以极大的提高器件性能，扩展其应用领域，具有很大的实用意义。
发明内容
本发明的目的在于克服GaN微波二极管开启电压高的不足，提供一种基于低功函数金属的低开启电压GaN微波二极管及制备方法，以结合凹槽阳极刻蚀工艺，提升器件性能，尤其降低器件的开启电压，提高器件工作效率。
为实现上述目的，本发明基于低功函数金属的低开启电压GaN微波二极管，自下而上包括衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层和AlGaN势垒层，其特征在于，在沟道层及势垒层上设有圆形凹槽，凹槽的外围势垒层上设有环形阴极，AlGaN势垒层上凹槽及阴极以外区域设有介质，凹槽的底部、侧壁以及凹槽边缘介质上设有阳极。
作为优选，其特征在于，凹槽的深度为AlGaN势垒与GaN表面以下5-25nm。
作为优选，其特征在于，衬底采用厚度为400μm-600μm的SiC衬底或厚度为400μm-600μm蓝宝石衬底或厚度为400μm-1000μm的Si衬底。
作为优选，其特征在于，外延缓冲层采用厚度为1μm-6μm的GaN缓冲层或厚度为1μm-6μm的AlGaN渐变缓冲层。
作为优选，其特征在于，GaN沟道层采用厚度为100nm-400nm的非故意掺杂GaN。
作为优选，其特征在于，阳极采用厚度为30-200nm的Mo或W金属和0-200nm的Au金属叠层。
为实现上述目的，本发明制备基于低功函数金属的低开启电压GaN微波二极管的方法，其技术关键是：采用ICP干法刻蚀工艺，精确控制刻蚀速率，在二极管阳极处向下刻蚀至AlGaN/GaN异质结界面下5-25nm，采用磁控溅射设备，溅射低功函数阳极金属，比如Mo或W，形成与二维电子气区域的侧面直接接触，减小器件开启电压。具体步骤包括如下：
1)清洗外延片：
将AlGaN/GaN结构的外延片先放入HF酸溶液或HCl酸溶液中浸泡30s，再依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗各5min，然后用氮气吹干；
2)制作GaN微波二极管阴极：
2a)在洁净的外延片上依次进行匀胶、烘胶、器件阴极区域光刻及显影，并使用电子束蒸发设备在外延片上沉积Ti/Al/Ni/Au金属叠层；
2b)先将沉积Ti/Al/Ni/Au金属叠层的外延片用丙酮溶液浸泡，使有光刻胶区域金属被剥离，再将外延片依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干后放入快速退火炉进行退火，形成器件阴极；
3)制作台面隔离：
3a)在做完阴极欧姆接触的外延片上进行匀胶、烘胶台面隔离光刻及显影；
3b)使用ICP刻蚀机刻蚀GaN台面外区域；
3c)将刻蚀完成的外延片依次放入洁净丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，形成器件隔离；
4)介质沉积：
使用等离子体增强化学气相沉积设备在做完台面隔离的外延片上沉积厚度为100nm-300nm的SiN或SiO2介质；
5)制作阳极凹槽：
5a)在沉积过介质的外延片上依次进行匀胶、烘胶、阳极凹槽光刻及显影；
5b)先使用RIE刻蚀机刻蚀外延片阳极开孔区域SiN或SiO2介质至势垒层表面，再使用ICP刻蚀机刻蚀势垒层及沟道层至AlGaN/GaN界面以下5-25nm，并将其依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成阳极凹槽制作；
6)制作GaN微波二极管阳极：
6a)在刻蚀完阳极凹槽的外延片上依次进行匀胶、烘胶、器件阳极区域光刻及显影，并使用磁控溅射设备在外延片上先沉积厚度为30-200nm低功函数金属Mo或W，再沉积0-200nm的金属Au；
6b)将进行6a)操作后的外延片用丙酮溶液浸泡，使得有光刻胶区域上的金属被剥离，再将该外延片依次放入洁净丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成二极管阳极制作。
7)阴极介质开孔：
7a)在做完阳极的外延片上依次进行匀胶、烘胶、通孔光刻及显影，并使用RIE刻蚀机刻蚀通孔区域至阴极金属表面；
7b)将进行7a)操作后的外延片依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成GaN微波二极管制作。
本发明具有如下优点：
1.本发明采用凹槽阳极结构，使肖特基金属直接与二维电子气区域侧壁接触，减小了接触势垒，使器件开启电压大幅降低，且刻蚀区域已不存在二维电子气，能够大幅减小器件的结电容。
2.本发明采用低功函数金属作为阳极肖特基接触金属，如Mo或W，此类金属与GaN材料有更小的功函数差，进一步降低了器件的开启电压。
附图说明
图1是本发明的GaN微波二极管截面结构示意图；
图2是本发明制作图1二极管的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述：
参照图1，本发明的器件是在AlGaN/GaN外延片上进行，该外延片自下而上为衬底1、外延缓冲层2、GaN沟道层3和AlGaN势垒层4，其中，衬底1采用厚度为400μm-600μm的SiC衬底或厚度为400μm-600μm蓝宝石衬底或厚度为400μm-1000μm的Si衬底，外延缓冲层2采用厚度为1μm-6μm的GaN缓冲层或厚度为1μm-6μm的AlGaN渐变缓冲层，GaN沟道层3采用厚度为100nm-400nm的非故意掺杂GaN，AlGaN势垒层4的厚度为20-30nm。在沟道层3及势垒层4上设有圆形凹槽5，凹槽5的深度为AlGaN势垒与GaN表面以下5-25nm，凹槽5的外围势垒层上设有环形阴极6，凹槽5的底部及侧壁上设有阳极7，阳极7采用厚度为30-200nm的Mo或W金属和0-200nm的Au金属叠层。
参照图2，本发明制备基于低功函数金属的低开启电压GaN微波二极管的方法给出如下三种是实施例
实施例1，制作SiN层厚度为200nm、阳极凹槽刻蚀至AlGaN/GaN界面下5nm、阳极金属是厚度为30/200nm的Mo/Au的低开启电压GaN微波二极管。
步骤1，外延片清洗，如图2(a)。
将AlGaN/GaN结构的外延片先放入HF酸溶液或HCl酸溶液中浸泡30s，再依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗各5min，然后用氮气吹干。
步骤2，制作GaN微波二极管阴极，如图2(b)。
2a)在洁净的外延片上依次进行匀胶、烘胶、器件阴极区域光刻及显影，并使用电子束蒸发设备在外延片上沉积Ti/Al/Ni/Au金属叠层，厚度分别为22/140/55/45nm；
2b)将沉积Ti/Al/Ni/Au金属叠层的外延片用丙酮溶液浸泡，使有光刻胶区域金属被剥离，再将该外延片依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干后放入快速退火炉进行退火，形成器件阴极。
步骤3，制作台面隔离，如图2(c)。
3a)在做完阴极欧姆接触的外延片上依次进行匀胶、烘胶、台面隔离光刻及显影；
3b)使用ICP刻蚀机刻蚀台面隔离，并将刻蚀完成的外延片依次放入洁净丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，形成器件隔离。
步骤4，沉积SiN介质。如图2(d)。
使用等离子体增强化学气相沉积设备在做完台面隔离的外延片上沉积厚度为200nm的SiN介质。
步骤5，制作阳极凹槽，如图2(e)。
5a)在沉积过SiN介质的外延片上依次进行匀胶、烘胶、阳极凹槽光刻及显影，使用RIE刻蚀机刻蚀外延片阳极开孔区域SiN介质至势垒层表面，刻蚀条件如下：
CF4气体流量为6sccm；CHF3气体流量为8sccm；He气流量流量为120sccm；射频功率为150W；反应室压强为1000mTorr；
5b)使用ICP刻蚀机刻蚀该外延片势垒层及沟道层至AlGaN/GaN界面以下5nm，刻蚀条件是：BCl3气体流量为20sccm；射频功率为45W；反应室压强为15mTorr；
5c)将该外延片依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成阳极凹槽制作。
步骤6，制作GaN微波二极管阳极，如图2(f)。
6a)在刻蚀完阳极凹槽的外延片上依次进行匀胶、烘胶、器件阳极区域光刻及显影，并使用磁控溅射设备在外延片上沉积厚度为30nm的低功函数金属Mo和厚度为200nm的金属Au；
6b)将溅射有金属Mo和金属Au的外延片用丙酮溶液浸泡，使得有光刻胶区域上的金属被剥离，再将该外延片依次放入洁净丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成二极管阳极制作。
步骤7，制作器件阴极开孔，如图2(g)。
在做完阳极的外延片上依次进行匀胶、烘胶、通孔光刻及显影，并使用RIE刻蚀机刻蚀通孔区域至阴极金属表面；并将该外延片依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成GaN微波二极管制作。
实施例2，制作SiN层厚度为300nm、阳极凹槽刻蚀至AlGaN/GaN界面下10nm、阳极金属是厚度为40/200nm的W/Au的低开启电压GaN微波二极管：
步骤一，外延片清洗，如图2(a)。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤1相同。
步骤二，制作GaN微波二极管阴极，如图2(b)。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤2相同。
步骤三，制作台面隔离，如图2(c)。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤3相同。
步骤四，使用等离子体增强化学气相沉积设备在做完台面隔离的外延片上沉积厚度为300nm的SiN介质，如图2(d)。
步骤五，制作阳极凹槽，如图2(e)。
5.1)在沉积过SiN介质的外延片上依次进行匀胶、烘胶、阳极凹槽光刻及显影，并使用RIE刻蚀机在CF4气体流量为8sccm，CHF3气体流量为10sccm，He气流量流量为150sccm，射频功率为250W，反应室压强为1500mTorr的工艺条件下，刻蚀外延片阳极开孔区域SiN介质至势垒层表面；
5.2)再使用ICP刻蚀机在BCl3气体流量为30sccm，射频功率为55W，反应室压强为20mTorr的下，刻蚀该外延片势垒层及沟道层至AlGaN/GaN界面以下10nm，并将该外延片依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成阳极凹槽制作。
步骤六，制作GaN微波二极管阳极，如图2(f)。
6.1)在刻蚀完阳极凹槽的外延片上依次进行匀胶、烘胶、器件阳极区域光刻及显影，并使用磁控溅射设备在外延片上沉积厚度为40nm的低功函数金属W和厚度为200nm的金属Au；
6.2)将溅射金属W和金属Au的外延片用丙酮溶液浸泡，使得有光刻胶区域上的金属被剥离，再将该外延片依次放入洁净丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成二极管阳极制作。
步骤七，制作器件阴极开孔，如图2(g)。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤7相同。
实施例3，制作SiO2层厚度为200nm、阳极凹槽刻蚀至AlGaN/GaN界面下15nm、阳极金属是厚度为200nm的Mo的低开启电压GaN微波二极管：
步骤A，外延片清洗，如图2(a)。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤1相同。
步骤B，制作GaN微波二极管阴极，如图2(b)。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤2相同。
步骤C，制作台面隔离，如图2(c)。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤3相同。
步骤D，沉积SiN介质。如图2(d)。
使用等离子体增强化学气相沉积设备在做完台面隔离的外延片上沉积厚度为200nm的SiO2介质。
步骤E，制作阳极凹槽，如图2(e)。
E1)在沉积过SiO2介质的外延片上依次进行匀胶、烘胶、阳极凹槽光刻及显影，使用RIE刻蚀机刻蚀外延片阳极开孔区域SiN介质至势垒层表面，刻蚀条件为：CF4气体流量：10sccm；CHF3气体流量：12sccm；He气流量流量：180sccm；射频功率：300W；反应室压强：2000mTorr；
E2)使用ICP刻蚀机刻蚀该外延片势垒层及沟道层至AlGaN/GaN界面以下15nm，刻蚀条件为：BCl3气体流量：40sccm；射频功率：65W；反应室压强：25mTorr。
E3)将该外延片依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成阳极凹槽制作。
步骤F，制作GaN微波二极管阳极，如图2(f)。
F1)在刻蚀完阳极凹槽的外延片上依次进行匀胶、烘胶、器件阳极区域光刻及显影，并使用磁控溅射设备在外延片上沉积厚度为200nm的低功函数金属Mo；
F2)将溅射金属Mo的外延片用丙酮溶液浸泡，使得有光刻胶区域上的金属被剥离，再将该外延片依次放入洁净丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成二极管阳极制作。
步骤G，制作器件阴极开孔，如图2(g)。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤7相同。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于低功函数阳极金属的低开启电压GaN微波二极管，自下而上包括衬底(1)、GaN缓冲层(2)、GaN沟道层(3)、AlGaN势垒层(4)，其特征在于，在沟道层(3)及势垒层(4)上设有圆形凹槽(5)，凹槽(5)的外围势垒层上设有环形阴极(6)，AlGaN势垒层(4)上凹槽(5)及阴极(6)以外区域设有介质(7)，凹槽(5)的底部、侧壁以及凹槽边缘介质(7)上设有阳极(8)。
2.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于，凹槽(5)深度为AlGaN势垒与GaN表面以下5-25nm。
3.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于，衬底(1)采用厚度为400μm-600μm的SiC衬底或厚度为400μm-600μm蓝宝石衬底或厚度为400μm-1000μm的Si衬底。
4.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于，外延缓冲层(2)采用厚度为1μm-6μm的GaN缓冲层或厚度为1μm-6μm的AlGaN渐变缓冲层。
5.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于，GaN沟道层(3)采用厚度为100nm-400nm的非故意掺杂GaN。
6.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于，阳极(8)采用厚度为30-200nm的Mo或W金属和0-200nm的Au金属叠层。
7.一种基于低功函数阳极金属的低开启电压GaN微波二极管的制备方法，其特征在，包括如下步骤：
1)清洗外延片：
将AlGaN/GaN结构的外延片先放入HF酸溶液或HCl酸溶液中浸泡30s，再依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗各5min，然后用氮气吹干；
2)制作GaN微波二极管阴极：
2a)在洁净的外延片上依次进行匀胶、烘胶、器件阴极区域光刻及显影，并使用电子束蒸发设备在外延片上沉积Ti/Al/Ni/Au金属叠层；
2b)先将沉积Ti/Al/Ni/Au金属叠层的外延片用丙酮溶液浸泡，使有光刻胶区域金属被剥离，再将外延片依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干后放入快速退火炉进行退火，形成器件阴极；
3)制作台面隔离：
3a)在做完阴极欧姆接触的外延片上进行匀胶、烘胶台面隔离光刻及显影；
3b)使用ICP刻蚀机刻蚀GaN台面外区域；
3c)将刻蚀完成的外延片依次放入洁净丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，形成器件隔离；
4)介质沉积：
使用等离子体增强化学气相沉积设备在做完台面隔离的外延片上沉积厚度为100nm-300nm的SiN或SiO2介质；
5)制作阳极凹槽：
5a)在沉积过介质的外延片上依次进行匀胶、烘胶、阳极凹槽光刻及显影；
5b)先使用RIE刻蚀机刻蚀外延片阳极开孔区域SiN或SiO2介质至势垒层表面，再使用ICP刻蚀机刻蚀势垒层及沟道层至AlGaN/GaN界面以下5-25nm，并将其依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成阳极凹槽制作；
6)制作GaN微波二极管阳极：
6a)在刻蚀完阳极凹槽的外延片上依次进行匀胶、烘胶、器件阳极区域光刻及显影，并使用磁控溅射设备在外延片上先沉积厚度为30-200nm的低功函数金属Mo或W，再沉积0-200nm的金属Au；
6b)将进行6a)操作后的外延片用丙酮溶液浸泡，使得有光刻胶区域上的金属被剥离，再将该外延片依次放入洁净丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成二极管阳极制作。
7)阴极介质开孔：
7a)在做完阳极的外延片上依次进行匀胶、烘胶、通孔光刻及显影，并使用RIE刻蚀机刻蚀通孔区域至阴极金属表面；
7b)将进行7a)操作后的外延片依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水溶液中超声清洗各5分钟，用氮气吹干，完成GaN微波二极管制作。
8.根据权利要求7所述的方法，其中5b)中刻蚀SiN或SiO2介质，其工艺条件如下：
CF4气体流量：6-10sccm；
CHF3气体流量：8-12sccm；
He气流量流量：120-180sccm；
射频功率：150-300W；
反应室压强：1000-2000mTorr。
9.根据权利要求7所述的方法，其中5b)中刻蚀缓冲层及势垒层，其工艺条件如下：
BCl3气体流量：20-40sccm；
射频功率：45-65W；
反应室压强：15-25mTorr。
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