CN111816696B - 一种自对准的GaN肖特基二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自对准的GaN肖特基二极管及其制造方法，属于半导体器件制备技术领域。该二极管包括衬底、n+GaN层、n‑GaN层、T型阳极和空气桥；所述衬底上方设有隔离槽，所述n+GaN层上方设有阴极，所述n‑GaN层与所述阴极之间还设有间隔区，所述T型阳极位于所述n‑GaN层的正上方，所述n‑GaN层与所述T型阳极的直径相等。本发明提出的一种自对准GaN肖特基二极管能够极大地缩短阴极和阳极的间距，降低n+GaN层的串联电阻，提高二极管的截止频率和功率等性能，且制备工艺与现有平面结构肖特基二极管兼容度高，在微波毫米波整流器与限幅器、太赫兹倍频器等领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种自对准的GaN肖特基二极管及其制造方法，属于半导体器件制备技术领域。
技术背景
相比于Si、GaAs、InP等材料，第三代半导体GaN材料的宽禁带特性使GaN肖特基二极管具备高击穿、高功率的巨大优势。因此，基于GaN半导体的肖特基二极管有望克服传统半导体二极管输出功率或承受功率的不足，在大功率整流器、限幅器与倍频器等方面具有广阔前景。
与GaAs肖特基二极管类似，由于制备工艺简单、兼容性高，GaN肖特基二极管通常为平面结构，即阳极与阴极都位于同一个平面，阴极与阳极之间存在一定距离，一般在微米级以上。平面结构的肖特基二极管的电流从阳极出发，首先经过n-GaN本征层，往下流向n+GaN层，随后经过n+GaN层往两侧流向阴极。因此，除了n-GaN层的本征电阻外，阴极与阳极之间还存在寄生的n+GaN层串联电阻。由于GaN材料迁移率远低于GaAs，导致阴极与阳极之间的n+GaN层串联电阻远高于GaAs，这严重限制了倍频器、整流器等装置的功率和效率。2019年电子科技大学报道的220GHz GaN倍频器由于寄生电阻大，效率只有2％左右(参见文献BoZhang et al.,A Novel 220GHz GaN Diode On-Chip Tripler With High Driven Power,IEEE Electron Device Lett.,vol.40,no.5,pp.780-783,2019)，远低于GaAs的结果。因此，通过缩短二极管的阴极与阳极之间距离等方法，降低寄生串联电阻，对于提高倍频器的效率与功率，提高整流器的效率，完全发挥GaN半导体宽禁带优势都十分重要。
中国专利申请201510261562.6公开了“一种垂直结构的GaN基肖特基二极管及其制造方法”，该发明通过采用垂直结构缩短了欧姆接触与肖特基接触之间的距离，减小了器件的扩展电阻，提高了器件的截至频率。但是，该方案的制备工艺比较复杂，与目前平面工艺兼容性较低。
中国专利申请201710370209.0公开了“一种准垂直结构的GaN基肖特基二极管制备方法”，该发明提供一种准垂直结构的GaN基肖特基二极管制备方法，能够降低器件的串联电阻，提高工作频率，解决电流拥挤的问题。但是，该方案为准垂直结构的二极管制备方法，与目前平面工艺兼容性较低。
如何克服现有技术所存在的不足已成为当今半导体器件制备技术领域中亟待解决的重点难题之一。
发明内容
为了克服现有技术所存在的不足，本发明提出了一种自对准的GaN肖特基二极管及其制造方法，能够最大程度地缩短肖特基二极管阴极与阳极的间距，极大降低n+GaN串联电阻，提高功率与效率，并且制备工艺与现有平面结构肖特基二极管完全兼容，广泛适应于微波毫米波整流器与限幅器、太赫兹倍频器等应用。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种自对准的GaN肖特基二极管，该二极管结构自下而上包括衬底、n+GaN层、n-GaN层、T型阳极和空气桥；所述衬底上方设有隔离槽，所述n+GaN层上方设有阴极，所述n-GaN层与所述阴极之间还设有间隔区，所述T型阳极位于所述n-GaN层的正上方，所述n-GaN层与所述T型阳极的直径相等。
所述间隔区的宽度为0-200nm。
一种自对准的GaN肖特基二极管的制造方法，包括如下步骤：
1)在所述衬底的上方依次生长n+GaN层和n-GaN层；
2)在所述n-GaN层的上方光刻阳极图形，随后蒸发或溅射阳极金属，剥离形成T型阳极；
3)以所述T型阳极为掩模，采用氯基干法刻蚀方式，去除n-GaN层；
4)采用PECVD(等离子增强化学气相沉积)、ICPCVD(电感耦合等离子体化学气相沉积)或AlD(原子层沉积)方式生长牺牲介质层，随后采用各向异性干法刻蚀去除表面的牺牲介质层；
5)在所述n+GaN层的上方光刻掩模，覆盖部分T型阳极，随后蒸发阴极金属，剥离形成阴极；
6)采用各向同性干法刻蚀或湿法腐蚀去除剩余牺牲介质层，形成间隔区；
7)在所述n-GaN层上光刻隔离槽掩模，随后通过干法刻蚀依次去除n-GaN层和n+GaN层，形成隔离槽；
8)光刻空气桥掩模，电镀形成所述空气桥。
步骤1)所述衬底为SiC、金刚石、Si、蓝宝石或GaN中的任一种，所述n+GaN层的掺杂源为Ge或Si的任一种，掺杂浓度在1E19/cm3到5E20/cm3之间，所述n-GaN层的掺杂源为Ge或Si的任一种，掺杂浓度在1E17/cm3到7E17/cm3之间。
步骤2)所述的T型阳极的金属包含Ni/Au、W/Ti/Au、Pt/Au、Ni/Pt/Au中的任一种多层金属。
步骤4)所述的牺牲介质层为SiN、SiO2、Al2O3、AlN、HfO2、La2O3中的一种或几种组合，厚度为0-200nm。
步骤5)所述的阴极的金属包含Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al、TiN/Al中的任一种多层金属。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提出的一种自对准的GaN肖特基二极管，与传统的“先阴极后阳极”技术不同，是一种“先阳极后阴极”技术。首先形成T型阳极，随后利用T型阳极作为掩模以制作阴极，这样二极管的阳极与阴极以自对准的方式形成。本发明提出的一种自对准的GaN肖特基二极管能够最大程度地缩短肖特基二极管的阳极与阴极间距，极大降低n+GaN层引入的串联电阻，而不影响击穿特性，可用于制备倍频器、整流器与限幅器等装置。
2、不同于垂直结构肖特基二极管及其制造方法，本发明的一种自对准的GaN肖特基二极管的制造方法，与现有平面结构肖特基二极管兼容度高，工艺复杂度较低，可制造性强，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明提出的一种自对准的GaN肖特基二极管的剖视图。
图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10依次是本发明提出的一种自对准的GaN肖特基二极管的制造方法的流程示意图。
其中：1、衬底；2、n+GaN层；3、n-GaN层；4、T型阳极；5、阴极；6、间隔区；7、隔离槽；8、空气桥。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
参照图1，本发明提出的一种自对准的GaN肖特基二极管，包括衬底1、n+GaN层2、n-GaN层3、T型阳极4和空气桥8；所述衬底1上方设有隔离槽7，所述n+GaN层2上方设有阴极5，所述n-GaN层3与所述阴极5之间还设有间隔区6，其特征在于所述T型阳极4位于所述n-GaN层3的正上方，所述n-GaN层3与所述T型阳极4的直径相等。其中：
所述间隔区6的宽度为0-200nm。
参照图2-10，本发明提出的一种自对准的GaN肖特基二极管的制造方法，包括如下具体步骤：
1)在衬底1的上方依次生长n+GaN层2和n-GaN层3，如图2；其中：所述衬底1的材质衬底为SiC、金刚石、Si、蓝宝石或GaN中的任一种；所述n+GaN层2的掺杂源为Ge或Si的任一种，掺杂浓度在1E19/cm3到5E20/cm3之间；所述n-GaN层3的掺杂源为Ge或Si的任一种，掺杂浓度在1E17/cm3到7E17/cm3之间。
2)在所述n-GaN层3的上方光刻阳极图形，随后采用蒸发或溅射阳极金属，剥离形成T型阳极4，如图3所示；其中：所述T型阳极4的金属包含Ni/Au、W/Ti/Au、Pt/Au、Ni/Pt/Au中的任一种多层金属。
3)以所述T型阳极4为掩模，采用氯基干法刻蚀方式，去除n-GaN层3，如图4所示；
4)采用PECVD(等离子增强化学气相沉积)、ICPCVD(电感耦合等离子体化学气相沉积)或AlD(原子层沉积)等方式生长牺牲介质层，随后采用各向异性干法刻蚀去除表面的牺牲介质层，如图5所示；其中：所述牺牲介质层为SiN、SiO2、Al2O3、AlN、HfO2、La2O3中的一种或几种组合，厚度为0-200nm。
5)在所述n+GaN层2的上方光刻掩模，覆盖部分T型阳极4，如图6所示，随后蒸发阴极金属，如图7所示，剥离形成阴极5；其中，所述阴极5的金属包含Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al、TiN/Al中的任一种多层金属。
6)采用各向同性干法刻蚀或湿法腐蚀去除剩余牺牲介质层，形成间隔区6，如图8所示；
7)在所述n-GaN层3上光刻隔离槽掩模，随后通过干法刻蚀依次去除n-GaN层3和n+GaN层2，形成隔离槽7，如图9所示；
8)光刻空气桥掩模，电镀形成所述空气桥8，如图10所示。
根据以上本发明所述的一种自对准的GaN肖特基二极管及其制造方法，下面进一步公开本发明的具体实施例，但并不限于这些实施例。
实施例1：制备以SiC衬底1，间隔区6宽度为150nm，T型阳极4的金属为Ni/Pt/Au，n-GaN层3的掺杂浓度为2E17/cm3，n+GaN层2的掺杂浓度为5E19/cm3规格的一种自对准的GaN肖特基二极管，其制造过程是：
1)在SiC的衬底1上，利用金属有机物化学气相淀积技术MOCVD，在950℃下生长1μm厚的n+GaN层2，掺杂源为Si，掺杂浓度为5E19/cm3，随后生长1μm厚的n-GaN层3，掺杂源为Si，掺杂浓度为2E17/cm3。
2)在n-GaN层3的上方光刻阳极图形，随后采用蒸发阳极金属，剥离形成T型阳极4；蒸发阳极金属的材质自下而上依次为Ni、Pt和Au，金属层的厚度分别为30nm、50nm和600nm；电子束蒸发的工艺条件为：真空度≦2.0×10-6Torr，淀积速率小于
3)以T型阳极4为掩模，采用氯基干法刻蚀方式，去除n-GaN层3；干法刻蚀n-GaN层的工艺条件为：ICP(电感耦合等离子体刻蚀机)设备，气体分别为BCl3和Cl2，流量分别为30sccm和5sccm，压力为20mTorr，温度25℃，上电极功率100W，下电极3W。
4)采用PECVD生长牺牲介质层SiN，随后采用各向异性干法刻蚀去除表面的牺牲介质层SiN；SiN淀积的工艺条件为：气体分别为SiH4、NH3、He和N2，流量分别为8sccm、3sccm、150sccm和200sccm，压力为300mTorr，温度310℃，功率25W，厚度为150nm；干法刻蚀SiN的工艺条件为：ICP(电感耦合等离子体刻蚀机)设备，气体为CF4，流量为50sccm，上电极功率为100W，下电极功率为10W，压力5mTorr。
5)在n+GaN层2的上方光刻掩模，覆盖部分T型阳极4，随后蒸发阴极金属，剥离形成阴极5；蒸发阴极金属的材质自下而上依次为Ti、Al、Ni和Au，金属层的厚度分别为20nm、120nm、50nm和50nm；电子束蒸发的工艺条件为：真空度≦2.0×10-6Torr，淀积速率小于
6)采用各向同性干法刻蚀去除剩余牺牲介质层SiN，形成宽度为150nm的间隔区6；干法刻蚀SiN的条件为：ICP(电感耦合等离子体刻蚀机)设备，气体为CF4，流量为50sccm，上电极功率为100W，下电极功率为20W，压力30mTorr。
7)在n-GaN层3上光刻隔离槽掩模，随后通过干法刻蚀依次去除n-GaN层3和n+GaN层2，形成隔离槽7；干法刻蚀n-GaN层和n+GaN层2的工艺条件为：ICP(电感耦合等离子体刻蚀机)设备，气体分别为BCl3和Cl2，流量分别为30sccm和5sccm，压力为20mTorr，温度25℃，上电极功率200W，下电极5W。
8)光刻空气桥掩模，电镀形成所述空气桥8。
实施例2：制备以Si衬底1，间隔区6宽度为20nm，T型阳极4的金属为W/Ti/Au，n-GaN层3的掺杂浓度为5E17/cm3，n+GaN层2的掺杂浓度为4E20/cm3规格的一种自对准的GaN肖特基二极管，其制造过程是：
1)在SiC的衬底1上，利用金属有机物化学气相淀积技术MOCVD，在950℃下生长2μm厚的n+GaN层2，掺杂源为Ge，掺杂浓度为4E20/cm3，随后生长300nm厚的n-GaN层3，掺杂源为Ge，掺杂浓度为5E17/cm3。
2)在n-GaN层3的上方光刻阳极图形，随后溅射阳极金属，剥离形成T型阳极4；蒸发阳极金属的材质自下而上依次为W、Ti和Au，金属层的厚度分别为20nm、20nm和700nm；磁控溅射的工艺条件为：真空度≦3×10-6Torr，淀积速率小于
3)实施例2的第3)步与实施例1的第3)步相同。
4)采用PECVD生长牺牲介质层SiN，随后采用各向异性干法刻蚀去除表面的牺牲介质层SiN；SiN淀积的工艺条件为：气体分别为SiH4、NH3、He和N2，流量分别为8sccm、3sccm、150sccm和200sccm，压力为300mTorr，温度310℃，功率25W，厚度为20nm；干法刻蚀SiN的工艺条件为：ICP(电感耦合等离子体刻蚀机)设备，气体为CF4，流量为50sccm，上电极功率为100W，下电极功率为10W，压力5mTorr。
5)在n+GaN层2的上方光刻掩模，覆盖部分T型阳极4，随后蒸发阴极金属，剥离形成阴极5；蒸发阴极金属的材质自下而上依次为Ti和Au，金属层的厚度分别为20和250nm；电子束蒸发的工艺条件为：真空度≦2.0×10-6Torr，淀积速率小于
6)采用各向同性干法刻蚀去除剩余牺牲介质层SiN，形成宽度为20nm的间隔区6；干法刻蚀SiN的条件为：ICP(电感耦合等离子体刻蚀机)设备，气体为CF4，流量为50sccm，上电极功率为100W，下电极功率为20W，压力30mTorr。
7)实施例2的第7)步与实施例1的第7)步相同。
8)实施例2的第8)步与实施例1的第8)步相同。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种自对准的GaN肖特基二极管及其制造方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (7)
1.一种自对准的GaN肖特基二极管，该二极管结构自下而上包括衬底(1)、n+GaN层(2)、n-GaN层(3)、T型阳极(4)和空气桥(8)；所述衬底(1)上方设有隔离槽(7)，所述n+GaN层(2)上方设有阴极(5)，所述n-GaN层(3)与所述阴极(5)之间还设有间隔区(6)，其特征在于所述T型阳极(4)位于所述n-GaN层(3)的正上方，所述n-GaN层(3)与所述T型阳极(4)的直径相等。
2.根据权利要求1所述的一种自对准的GaN肖特基二极管，其特征在于所述间隔区(6)的宽度为0-200nm。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种自对准的GaN肖特基二极管的制造方法，包括如下步骤：
1)在所述衬底(1)的上方依次生长n+GaN层(2)和n-GaN层(3)；
2)在所述n-GaN层(3)的上方光刻阳极图形，随后蒸发或溅射阳极金属，剥离形成T型阳极(4)；
3)以所述T型阳极(4)为掩模，采用氯基干法刻蚀方式，去除n-GaN层(3)；
4)采用PECVD、ICPCVD或AlD方式生长牺牲介质层，随后采用各向异性干法刻蚀去除表面的牺牲介质层；
5)在所述n+GaN层(2)的上方光刻掩模，覆盖部分T型阳极(4)，随后蒸发阴极金属，剥离形成阴极(5)；
6)采用各向同性干法刻蚀或湿法腐蚀去除剩余牺牲介质层，形成间隔区(6)；
7)在所述n-GaN层(3)上光刻隔离槽掩模，随后通过干法刻蚀依次去除n-GaN层(3)和n+GaN层(2)，形成隔离槽(7)；
8)光刻空气桥掩模，电镀形成所述空气桥(8)。
4.根据权利要求3所述的一种自对准的GaN肖特基二极管的制造方法，其特征在于，步骤1)所述衬底为SiC、金刚石、Si、蓝宝石或GaN中的任一种，所述n+GaN层(2)的掺杂源为Ge或Si的任一种，掺杂浓度在1E19/cm3到5E20/cm3之间，所述n-GaN层(3)的掺杂源为Ge或Si的任一种，掺杂浓度在1E17/cm3到7E17/cm3之间。
5.根据权利要求3所述的一种自对准的GaN肖特基二极管的制造方法，其特征在于，步骤2)所述的T型阳极(4)的金属包含Ni/Au、W/Ti/Au、Pt/Au、Ni/Pt/Au中的任一种多层金属。
6.根据权利要求3所述的一种自对准的GaN肖特基二极管的制造方法，其特征在于，步骤4)所述的牺牲介质层为SiN、SiO2、Al2O3、AlN、HfO2、La2O3中的一种或几种组合，厚度为0-200nm。
7.根据权利要求3所述的一种自对准的GaN肖特基二极管的制造方法，其特征在于，步骤5)所述的阴极(5)的金属包含Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al、TiN/Al中的任一种多层金属。
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