CN110808292B - 一种基于金属檐结构的GaN基完全垂直肖特基变容管及其制备方法 - Google Patents
一种基于金属檐结构的GaN基完全垂直肖特基变容管及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于金属檐结构的GaN基完全垂直肖特基变容管及其制备方法，所述变容管的结构包括：硅衬底层，硅衬底层上由下往上依次为衬底保护层、键合层、欧姆金属层、n+‑GaN层、n‑‑GaN层、肖特基接触金属层；肖特基接触金属层上为阳极pad，在键合层上还设置与键合层接触的阴极pad。本发明有效提高反偏特性，体现在反向击穿电压的增加、反偏时漏电流的降低，从而有效提高倍频效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体地，本发明涉及一种基于金属檐结构的GaN基完全垂直肖特基变容管及其制备方法。
背景技术
太赫兹(THz)波是频率介于0.3THz～3THz范围内的电磁波，由于THz源的特殊性：基于电子学方法频率偏高、基于光学方法频率偏低而不易实现，直至20世纪20年代，太赫兹波的优势以及太赫兹技术的研究逐渐受到人们的重视。太赫兹波长很短，是很好的宽带信息载体，在高分辨率光谱学、成像系统、通信领域有很大的应用前景；太赫兹波能够穿透生物组织并不会对生物细胞产生有害电离，所以特别适合生物医学成像，并有取代X射线成像的趋势；太赫兹波的光子能量能够与物质基本单元之间的能量产生共振，所以在物质科学研究领域具有很广阔的应用前景。
在毫米波和太赫兹波频段，由固态电路产生高功率输出依然很困难。目前，固态倍频振荡电路的核心器件是砷化镓(GaAs)基肖特基二极管，由于国内化合物半导体工艺技术的限制以及GaAs材料固有的低击穿电场，所以基于GaAs材料的倍频电路并不能满足高功率需求。GaN作为第三代宽禁带半导体材料，拥有高于GaAs材料8倍的击穿场强以及高热导率、高电子饱和速度、高Baliga(高频)优值等特点，符合高频率、大功率器件的需求。
目前基于GaN肖特基二极管的110G倍频电路已有报道，由于GaN材料的低电子迁移率，肖特基二极管的串联电阻偏大；虽然GaN材料拥有极高的击穿场强，目前所研制的GaN基肖特基变容管的击穿电压与漏电流与理论值差距较大，导致输出功率和倍频转换效率偏低。因此GaN基倍频电路的研究重点是GaN肖特基二极管器件的改善与优化。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于金属檐结构的氮化镓(GaN)基完全垂直肖特基变容管，本发明有效提高反偏特性，体现在反向击穿电压的增加、反偏时漏电流的降低，从而有效提高倍频效率。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于金属檐结构的GaN基完全垂直肖特基变容管，所述变容管的结构包括：
硅衬底层，硅衬底层上由下往上依次为衬底保护层、键合层、欧姆金属层、n+-GaN层、n--GaN层、肖特基接触金属层；肖特基接触金属层上为阳极pad，在键合层上还设置与键合层接触的阴极pad。
优选地，所述n+-GaN层为掺杂浓度大于5E18/cm3，厚度为3um～5um的重掺杂层，所述n--GaN层是掺杂浓度为3E16～2E17/cm3，厚度为300～500nm的轻掺杂层。
优选地，所述键合层采用厚度为的Au制作。
本发明中，n+-GaN和n--GaN层可为掺杂剂为Si的n型半导体。
本发明还提供了上述的基于金属檐结构的GaN基完全垂直肖特基变容管的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
1)选择Si衬底的轻掺杂/重掺杂GaN外延片，外延片结构自下向上依次为Si衬底、过渡层、n--GaN层、n+-GaN层；
2)欧姆金属蒸发：在n+-GaN层上采用电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au作为欧姆金属层，随后在N2环境下快速热退火处理；
3)键合金属Au蒸发：欧姆金属层上再蒸发一层Au作为键合层；
4)台面腐蚀：将过渡层、n--GaN层、n+-GaN层、欧姆金属层的周边用Ar离子干法刻蚀至Si衬底；
5)衬底片：选择Si衬底片，该衬底片表面覆盖Au键合层和衬底保护层，其中，Au键合层在衬底保护层之上；
6)键合：将步骤4)和步骤5)的Au键合层键合到一起；
7)刻蚀：采用等离子体深刻蚀移除步骤1)所述的Si衬底；并刻蚀过渡层至n--GaN层；
8)肖特基接触金属蒸发：在n--GaN层上采用电子束蒸发肖特基接触金属层；
9)肖特基金属檐结构制作：以肖特基接触金属层作掩模层，采用干法刻蚀去除肖特基接触金属层以外的n--GaN层；
10)淀积介质层：在裸露的n+-GaN层以及n--GaN层和肖特基接触金属层上采用等离子体增强化学的气相沉积法生长SiO2层；
11)肖特基介质孔刻蚀：采用ICP干法刻蚀去除肖特基接触金属层上覆盖的SiO2，以露出肖特基接触金属层处的金属；
12)表面涂一层高分子聚合物膜用以支撑经步骤1)-11)生长的结构以及为下一步中的电镀金属pad做支撑；
13)电镀金属：在肖特基接触金属层上电镀Ti/Au金属作为阳极pad，在键合层上电镀Ti/Au金属作为阴极pad。
本发明所涂的高分子聚合物膜采用聚酰亚胺。
优选地，所述步骤6)的键合条件为：300℃下键合20min。
由于在金属和半导体接触时存在边缘电场，尤其在高功率高频率的太赫兹器件中边缘电场效应得影响尤为重要。该效应会降低肖特基变容管的反向击穿电压以及大的反向漏电流。本发明所提出的金属檐结构，能够有效消除该效应对器件的影响，而且与目前三五族化合物半导体工艺相融合。
金属檐结构在传统的肖特基金属与GaN轻掺杂的半导体形成的肖特基接触的基础上，采用干法刻蚀的工艺将轻掺杂的半导体刻蚀干净。保证金属的边缘大于半导体的边缘，如图12所示。本发明提出的基于氮化镓太赫兹肖特基势垒二极管提供一种基于衬底转移技术的完全垂直结构肖特基变容管的制作，能够有效降低肖特基变容管串联电阻，从而提高倍频电路的输出功率以及转换效率。
附图说明
图1-11为本发明基于金属檐结构的GaN基完全垂直肖特基变容管的制备方法中不同步骤所涉及的结构。
图12为本发明的金属檐的结构示意图。
图13为本发明变容管与传统平面结构变容管的IV特性曲线图。
图14为本发明变容管与传统平面结构变容管的反向击穿特性曲线图。
具体实施方式
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子而已。所述仅仅是为了帮助理解本发明，不应该视为对本发明的具体限制。
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
一种基于金属檐结构的GaN基完全垂直肖特基变容管的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
1、如图1所示，选择直径2英寸Si衬底的轻掺杂/重掺杂GaN外延片。该外延片结构从上至下依次为：掺杂浓度大于5E18/cm3的3um～5um重掺杂层(n+)，掺杂浓度为3E16～2E17/cm3的300～500nm轻掺杂层(n-)，过渡层(transition layer)，Si衬底(Substrate)；
2、欧姆金属蒸发：如图2所示，在n+-GaN层上采用电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au作为器件的阴极(欧姆金属层)，随后在N2环境下850℃30s快速热退火处理；
3、键合金属Au蒸发：欧姆金属层上再蒸发一层厚度为的Au作为键合层；
4、台面腐蚀：如图3所示，将器件以外部分(过渡层、n--GaN层、n+-GaN层、欧姆金属层的周边，即图中虚线以外的部分为需要刻蚀掉的部分)用Ar离子干法刻蚀至Si衬底；
5、衬底片：如图4所示，选择(100)晶向2英寸Si衬底片，该衬底片表面覆盖一层厚度为的Au键合层和/>的Ni，其中，Au键合层在衬底保护层(Ni金属)之上，金属Ni用于保护Si衬底；
6、键合：如图5所示，将步骤4和步骤5的Au键合层键合到一起，键合条件为300℃温度下键合20min；
7、刻蚀：如图6所示，采用SF6等离子体深刻蚀移除步骤1所述的原(111)晶向衬底；刻蚀过渡层至轻掺杂GaN层；
8、肖特基接触金属蒸发：如图7所示，在n--GaN层上采用电子束蒸发肖特基接触金属层(Ni/Au肖特基金属层)作为器件的阳极；
9、肖特基金属檐结构制作：以肖特基接触金属层作掩模层，采用干法刻蚀去除肖特基接触金属层以外的轻掺杂层(n--GaN层)；
10、淀积介质层：如图8所示，在裸露的n+-GaN层以及n--GaN层和肖特基接触金属层上采用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)生长厚度为200nm的SiO2层；
11、肖特基介质孔刻蚀：如图9所示，采用ICP干法刻蚀工艺去掉肖特基接触金属层上覆盖的SiO2，以露出肖特基接触金属层处的金属；
12、如图10所示，表面涂一层高分子聚合物膜(采用本领域常用高分子聚合物，比如聚酰亚胺，厚度为能覆盖住上述区域的值，约为4um±0.2um)用以支撑上述生长好的结构以及为下一步中的电镀金属pad做支撑，并去除金属电极上的高分子聚合物膜；
13、电镀金属：如图11所示，在肖特基接触金属层上电镀Ti/Au金属作为阳极pad，在键合层上电镀Ti/Au金属作为阴极pad。
上述所得变容管的结构包括：硅衬底层，硅衬底层上由下往上依次为衬底保护层、键合层、欧姆金属层、n+-GaN层、n--GaN层、肖特基接触金属层；肖特基接触金属层上为阳极pad，在键合层上还设置与键合层接触的阴极pad。
采用Sentaurus TCAD工具仿真的两种结构的肖特基变容管，一种为本发明的垂直结构的变容管，另一种为传统平面结构(无金属檐结构的变容管)，两种结构的IV特性图如图13所示(图中，横坐标为电压单位V，纵坐标为电流单位为A)，反向击穿特性如图14所示(图中，横坐标为电压单位V，纵坐标为电流单位为A)。从图13可以看出，垂直结构的串联电阻为7.4Ω，传统平面结构的串联电阻为16.9Ω，有效降低肖特基变容管串联电阻，从而提高倍频电路的输出功率以及转换效率。从图14可以看出，本发明变容管的击穿电压为-36.4V@3uA，无金属檐结构的变容管的击穿电压为-26.0V@3uA。有效提高了变容管的反向击穿电压。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种基于金属檐结构的GaN基完全垂直肖特基变容管的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
1)选择Si衬底的轻掺杂/重掺杂GaN外延片，外延片结构自下向上依次为Si衬底、过渡层、n+-GaN层、n--GaN层；
2)欧姆金属蒸发：在n+-GaN层上采用电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au作为欧姆金属层，随后在N2环境下快速热退火处理；
3)键合金属Au蒸发：欧姆金属层上再蒸发一层Au作为键合层；
4)台面腐蚀：将过渡层、n--GaN层、n+-GaN层、欧姆金属层的周边用Ar离子干法刻蚀至Si衬底；
5)衬底片：选择Si衬底片，该衬底片表面覆盖Au键合层和衬底保护层，其中，Au键合层在衬底保护层之上；
6)键合：将步骤4)和步骤5)的Au键合层键合到一起；
7)刻蚀：采用等离子体深刻蚀移除步骤1)所述的Si衬底；并刻蚀过渡层至n--GaN层；
8)肖特基接触金属蒸发：在n--GaN层层上采用电子束蒸发肖特基接触金属层；
9)肖特基金属檐结构制作：以肖特基接触金属层作掩模层，采用干法刻蚀去除肖特基接触金属层以外的n--GaN层；
10)淀积介质层：在裸露的n+-GaN层以及n--GaN层和肖特基接触金属层上采用等离子体增强化学的气相沉积法生长SiO2层；
11)肖特基介质孔刻蚀：采用ICP干法刻蚀去除肖特基接触金属层上覆盖的SiO2，以露出肖特基接触金属层处的金属；
12)表面涂一层高分子聚合物膜用以支撑经步骤1)-11)生长的结构以及为下一步中的电镀金属pad做支撑；
13)电镀金属：在肖特基接触金属层上电镀Ti/Au金属作为阳极pad，在键合层上电镀Ti/Au金属作为阴极pad；
所述变容管的结构包括：
硅衬底层，硅衬底层上由下往上依次为衬底保护层、键合层、欧姆金属层、n+-GaN层、n--GaN层、肖特基接触金属层；肖特基接触金属层上为阳极pad，在键合层上还设置与键合层接触的阴极pad。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤6)的键合条件为：270-330℃下键合15-25min。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤12)所涂的高分子聚合物膜采用的高分子聚合物为聚酰亚胺。
4.根根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述n+-GaN层为掺杂浓度大于5E18/cm3，厚度为3um～5um的重掺杂层，所述n--GaN层是掺杂浓度为3E16～2E17/cm3，厚度为300～500nm的轻掺杂层。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述键合层采用厚度为的Au制作。
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