CN112038417B - 基于顺电介质的肖特基二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于顺电介质的肖特基二极管及其制作方法，主要解决现有带有场板结构的Ga2O3肖特基二极管反向击穿电压过低的问题。其自上而下包括：欧姆接触金属Au层(1)、欧姆接触金属Ti层(2)、高掺杂n型Ga2O3衬底(3)和低掺杂n型Ga2O3外延层(4)；该低掺杂n型Ga2O3外延层的两侧上方设有顺电介质层(5)，其中间和顺电介质层内侧的上方依次为肖特基金属Ni层(6)和肖特基金属Au(7)。本发明由于在肖特基电极与Ga2O3外延层接触区域加入顺电介质，增大了反向偏压时肖特基结边缘处的耗尽区宽度，削弱了肖特基结的边缘处所承受的集中分布电场强度，提高了击穿电压，可用于制作高压、大功率器件。
Description
技术领域
本发明属于宽禁带半导体器件技术领域，具体涉及一种肖特基二极管，可用于制造高压大功率器件。
背景技术
随着半导体器件应用在越来越多的技术领域，传统硅基等窄禁带半导体二极管遭遇到了诸多挑战，其中击穿电压难以满足日益增长的需求，成为影响进一步提升器件性能的关键因素之一。而Ga2O3与以SiC、GaN为代表的第三代半导体材料相比较，具有更宽的禁带宽度，击穿场强相当于Si的20倍以上，SiC和GaN的2倍以上，从理论上说，在制造相同耐压的二极管器件时，Ga2O3器件的导通电阻可降为SiC的1/10、GaN的1/3，Ga2O3材料的巴利伽优值是SiC的18倍、GaN材料的4倍以上，因此Ga2O3是一种性能优异的适于功率器件和高压开关器件制备的宽禁带半导体材料。
传统的肖特基二极管结构如图1所示，其自上而下包括：欧姆接触金属Au层1、欧姆接触金属Ti层2、高掺杂n型Ga2O3衬底3、低掺杂n型Ga2O3薄膜4、肖特基电极Ni层5和肖特基电极Au层6。该结构的器件反向击穿电压远低于材料理想值，限制了Ga2O3肖特基二极管在大功率器件方向的应用。
为了提高Ga2O3肖特基二极管器件的性能，就必须提高器件在反向关断状态下的击穿电压，而Ga2O3二极管器件的击穿主要发生在电场分布集中的肖特基结的边缘，因此要提高器件的击穿电压，必须使肖特基结处的电场重新分布，研究者设计出增设SiO2场板结构的Ga2O3肖特基二极管，如图2所示，其自上而下包括：欧姆接触金属Au层1、欧姆接触金属Ti层2、高掺杂n型Ga2O3衬底3、低掺杂n型Ga2O3薄膜4、低掺杂n型Ga2O3薄膜4两侧上方设有SiO2场板层5、低掺杂n型Ga2O3薄膜4中部和SiO2场板层5上方设有肖特基电极Ni层6和肖特基电极Au层7。该结构的器件虽然可以提升击穿电压，但由于场板层采用SiO2材料，其介电常数仅为3.9，击穿电压的提升的能力有限，不能满足Ga2O3肖特基二极管在高压、功率器件领域的应用需求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述Ga2O3肖特基二极管的不足，提出了基于顺电介质的肖特基二极管及其制作方法，以通过改变场板的材料进一步提升击穿电压，满足高压器件和功率器件的应用需求。
本发明的技术方案是这样实现的：
1.一种基于顺电介质的肖特基二极管，自下而上包括：欧姆接触金属Au层、欧姆接触金属Ti层、高掺杂n型Ga2O3衬底、和低掺杂n型Ga2O3外延层，低掺杂n型Ga2O3外延层的两侧上方设有顺电介质层，低掺杂n型Ga2O3外延层中间和顺电介质层内侧的上方依次设有肖特基金属Ni层和肖特基金属Au，其特征在于：所述顺电介质层采用钛酸锶钡BST材料或钛酸锶铅PST材料，以提升肖特基二极管的反向击穿电压。
进一步，所述欧姆接触金属Au层的厚度为100-200nm，欧姆接触金属Ti层的厚度为20-50nm。
进一步，所述高掺杂n型Ga2O3衬底的电子浓度为1018cm-3-1019cm-3，厚度为600um。
进一步，所述低掺杂n型Ga2O3外延层的电子浓度为1016cm-3-1017cm-3，厚度为1um。
进一步，所述顺电介质层采用包括钛酸锶钡BST材料或钛酸锶铅PST材料，其厚度为10-20nm。
进一步，所述肖特基接触金属Au层的厚度为100-200nm；所述肖特基接触金属Ni层的厚度为20-50nm。
2.一种基于顺电介质的肖特基二极管制作方法，其特征在于，包括如下步骤:
1)选用高掺杂的n型Ga2O3衬底进行标准清洗；
2)将标准清洗后的衬底放入MOCVD反应室中，分别以三甲基镓TMGa和高纯O2为Ga源和O源，设置反应室温度为700℃，生长压力为120Pa，三甲基镓TMGa流量为10sccm，O2流量为300sccm，在衬底上外延生长厚度为600nm的低掺杂n型Ga2O3薄膜；
3)将外延后的衬底放入电子束蒸发台中，在Ga2O3衬底背面蒸发金属Ti/Au，再在N2环境中进行550℃的60s快速热退火，形成欧姆接触电极的样品；
4)以分析纯乙酸钡[Ba(CH3COO)2]、乙酸锶[Sr(CH3COO)2·1/2H2O]及化学纯的钛酸丁酯[Ti(OC4H9)4]为原料，以分析纯冰乙酸[CH3COOH]为溶剂，分析纯的乳酸[CH3CH(OH)COOH]为稳定剂，按组分Ba0.7Sr0.3TiO3的化学配比要求制备钛酸锶钡BST薄膜的前驱体溶液；
5)将前驱体溶液，在低掺杂n型Ga2O3外延层上采用旋涂工艺，以速度3000r/min甩涂30s，制备钛酸锶钡BST介质薄膜，并在80℃-100℃的烘箱中烘烤30-40分钟，如此重复1-2次，形成厚度10-20nm的钛酸锶钡BST薄膜；
6)在钛酸锶钡BST介质薄膜上涂光刻胶，利用紫外曝光技术制备肖特基电极淀积所需窗口的掩膜图形；
7)将样品放入反应离子刻蚀机设备中，设置三氟甲烷CHF3的气体流量为30sccm，Ar的气体流量为10sccm，含量为30％，反应室压力为25mT，射频功率为150W，在钛酸锶钡BST介质薄膜上刻蚀出淀积肖特基电极所需的第一窗口；
8)刻蚀完成后，在样品的低掺杂n型Ga2O3薄膜和钛酸锶钡BST介质上涂光刻胶，光刻出淀积肖特基电极所需的第二窗口；
9)将光刻后的样品放入电子束蒸发台中，在钛酸锶钡BST介质薄膜和低掺杂n型Ga2O3薄膜上蒸发淀积金属Ni/Au，
10)将完成淀积的样品去除掉光刻胶和光刻胶上的金属，形成肖特基接触电极，完成一种基于顺电介质的肖特基二极管的制作。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明由于在肖特基电极与Ga2O3外延层接触区域的两侧加入顺电介质，当肖特基二极管反偏时，可在顺电介质内部形成上表面带有负电荷而下表面带有正电荷的偶极子，从而对接触区域的Ga2O3材料中的电子产生耗尽作用，使得肖特基电极边缘处载流子浓度减小，电场也随之减小，进一步提高了器件的击穿电压；同时由于顺电介质的制备十分简单，仅仅通过旋涂和烘烤的方式即可获得，因而工艺简单。
附图说明
图1是传统肖特基二极管的结构示意图；
图2是现有增设SiO2场板结构的肖特基二极管的结构示意图；
图3是本发明基于顺电介质的肖特基二极管的结构示意图；
图4是本发明制作的图3器件的实现流程示意图。
具体实现方式
以下参照附图，对本发明的实施例作进一步说详细描述。
参照图3，本实例基于顺电介质的肖特基二极管，自下而上包括：欧姆接触金属Au层1、欧姆接触金属Ti层2、高掺杂n型Ga2O3衬底3和低掺杂n型Ga2O3外延层4，该低掺杂n型Ga2O3外延层4的两侧上方设有顺电介质层5，低掺杂n型Ga2O3外延层4中间和顺电介质层5内侧的上方依次设有肖特基金属Ni层6和肖特基金属Au7。
所述顺电介质层(5)采用钛酸锶钡BST材料或钛酸锶铅PST材料，其厚度为10-20nm，以提升肖特基二极管的反向击穿电压。
所述欧姆接触金属Au层1的厚度为100-200nm，欧姆接触金属Ti层2的厚度为20-50nm。
所述高掺杂n型Ga2O3衬底3的电子浓度为1018cm-3-1019cm-3，其厚度为600um。
所述低掺杂n型Ga2O3外延层4的电子浓度为1016cm-3-1017cm-3，其厚度为1um。
所述肖特基接触金属Ni层6的厚度为20-50nm；所述肖特基接触金属Au层7的厚度为100-200nm。
参照图4，本发明制作基于顺电介质的肖特基二极管的方法，给出如下三种实施例：
实施例一，制作顺电介质采用厚度为10nm钛酸锶钡BST的肖特基二极管。
步骤1，对电子浓度为1×1018cm-3高掺杂的n型Ga2O3衬底进行标准清洗，如图4(a)。
1a)将高掺杂n型Ga2O3衬底放入80℃的有机清洗液中清洗20min；
1b)将有机清洗后的衬底使用流动的去离子水清洗40s；
1c)将清洗干净后的衬底放入HF:H2O＝1:1的溶液中腐蚀60s；
1d)将腐蚀后的Ga2O3衬底用流动的去离子水清洗60s，并用高纯氮气吹干。
步骤2：外延生长低掺杂n型Ga2O3薄膜，如图4(b)。
将清洗后的衬底放入MOCVD反应室中，分别以三甲基镓TMGa和高纯O2为Ga源和O源，设置反应室温度为700℃，生长压力为120Pa，三甲基镓TMGa流量为10sccm，O2流量为300sccm的工艺条件，在衬底上外延生长厚度为600nm、载流子浓度为1×1016cm-3的低掺杂n型Ga2O3薄膜。
步骤3：制作欧姆接触电极,如图4(c)。
3a)在外延生长后的高掺杂n型Ga2O3衬底背面蒸发淀积金属Ti/Au，其中Ti的厚度为20nm，Au厚度为100nm；
3b)在N2环境中进行550℃的60s快速热退火，形成欧姆接触电极的样片。
步骤4：溶胶-凝胶法生长钛酸锶钡BST介质，如图4(d)。
4a)将乙酸锶[Sr(CH3COO)2·1/2H2O]、乙酸钡[Ba(CH3COO)2]溶解在醋酸溶液中加热至沸腾，并持续5min，得到乙酸锶和乙酸钡的醋酸溶液，再将该醋酸溶液温度降至80℃时按组分Ba0.7Sr0.3TiO3的化学配比加入钛酸丁酯搅拌均匀，最后加入稳定剂制成浓度为0.4mol/L的前驱体溶液；
4b)将得到的前驱体溶液，在低掺杂n型Ga2O3外延层上采用旋涂工艺，即在速度3000r/min下旋转30s，并在80℃的烘箱中烘烤30分钟制备钛酸锶钡BST介质薄膜；
4c)重复4b)2次，形成厚度为10nm的钛酸锶钡BST介质薄膜。
步骤5：在钛酸锶钡BST介质薄膜上刻蚀窗口。
5a)在钛酸锶钡BST介质薄膜上涂光刻胶，利用紫外曝光技术制备肖特基电极淀积所需窗口的掩膜图形，如图4(e)；
5b)将具有掩膜图形的样片放入反应离子刻蚀机设备中，设置三氟甲烷CHF3的气体流量为30sccm，氩Ar的气体流量为10sccm，含量为30％，反应室压力为25mT，射频功率为150W，在钛酸锶钡BST介质薄膜上刻蚀出淀积肖特基电极所需的第一窗口，如图4(f)。
步骤6：蒸发淀积金属Ni/Au。
6a)刻蚀完成后，在样片的低掺杂n型Ga2O3外延层和钛酸锶钡BST介质薄膜上涂光刻胶，光刻得到淀积肖特基电极所需的第二窗口，如图4(g)；
6b)将光刻后的样片放入电子束蒸发台中，在钛酸锶钡BST介质薄膜和低掺杂n型Ga2O3上蒸发淀积金属Ni/Au，其中金属Ni厚度为20nm，金属Au厚度为100nm，如图4(h)；
步骤7：金属剥离，如图4(i)。
将完成淀积的样片去除掉光刻胶和光刻胶上的金属，形成肖特基接触电极，完成基于顺电介质的肖特基二极管的制作。
实施例二，制作顺电介质为钛酸锶钡BST、介质厚度为15nm的肖特基二极管，。
步骤一，对电子浓度为5×1018cm-3高掺杂的n型Ga2O3衬底进行标准清洗，如图4(a)。
本步骤具体实现与实施例1的步骤1相同。
步骤二：外延生长低掺杂n型Ga2O3薄膜，如图4(b)。
将清洗后的衬底放入MOCVD反应室中，分别以三甲基镓TMGa和高纯O2为Ga源和O源，设置反应室温度为700℃，生长压力为120Pa，TMGa流量为10sccm，O2流量为300sccm，在衬底上外延生长厚度为600nm、载流子浓度为5×1016cm-3的低掺杂n型Ga2O3薄膜。
步骤三：制作欧姆接触电极,如图4(c)。
3.1)在外延生长后的高掺杂n型Ga2O3衬底背面蒸发金属Ti/Au，其中Ti的厚度为35nm，Au厚度为150nm；
3.2)在N2环境中进行550℃的60s快速热退火，形成欧姆接触电极的样片。
步骤四：采用溶胶-凝胶法生长钛酸锶钡BST介质，如图4(d)。
4.1)将乙酸锶[Sr(CH3COO)2·1/2H2O]、乙酸钡[Ba(CH3COO)2]溶解在醋酸溶液中加热至沸腾，并持续5min，得到乙酸锶和乙酸钡的醋酸溶液，再将该醋酸溶液温度降至80℃时按组分Ba0.7Sr0.3TiO3的化学配比加入钛酸丁酯搅拌均匀，最后加入稳定剂制成浓度为0.4mol/L的前驱体溶液；
4.2)将得到的前驱体溶液，在低掺杂n型Ga2O3外延层上采用旋涂工艺，即在3000r/min的速度下旋转30s，制备钛酸锶钡BST薄膜，并在90℃的烘箱中烘烤35分钟。
4.3)重复4.2)共3次，形成厚度为15nm的钛酸锶钡BST介质薄膜。
步骤五：在钛酸锶钡BST介质薄膜上刻蚀出窗口。
5.1)在钛酸锶钡BST介质薄膜上涂光刻胶，利用紫外曝光制备肖特基电极淀积所需窗口的掩膜图形，如图4(e)；
5.2)将制有掩膜图形的样片放入反应离子刻蚀机设备中，设置三氟甲烷CHF3的气体流量为30sccm，氩Ar的气体流量为10sccm，含量为30％，反应室压力为25mT，射频功率为150W的工艺参数，在钛酸锶钡BST介质层上刻蚀出淀积肖特基电极所需的的第一窗口，如图4(f)。
步骤六：蒸发淀积金属Ni/Au。
6.1)刻蚀完成后，在样片的低掺杂n型Ga2O3外延层和钛酸锶钡BST介质薄膜上涂光刻胶，光刻得到淀积肖特基电极所需的第二窗口，如图4(g)；
6.2)将光刻后的样片放入电子束蒸发台中，在钛酸锶钡BST介质薄膜和低掺杂n型Ga2O3外延层上蒸发淀积金属Ni/Au，其中金属Ni厚度为35nm，金属Au厚度为150nm，如图4(h)；
步骤七：金属剥离,如图4(i)。
将完成淀积的样片去除掉光刻胶和光刻胶上的金属，形成肖特基接触电极，完成基于顺电介质的肖特基二极管的制作。
实施例三，制作顺电介质为钛酸锶铅PST的肖特基二极管，介质厚度为20nm。
步骤A：对电子浓度为1×1019cm-3cm-3的高掺杂的n型Ga2O3衬底进行标准清洗，如图4(a)。
本步骤具体实现与实施例1的步骤1相同。
步骤B：外延生长低掺杂n型Ga2O3薄膜，如图4(b)。
将清洗后的衬底放入MOCVD反应室中，分别以三甲基镓TMGa和高纯O2为Ga源和O源，设置反应室温度为700℃，生长压力为120Pa,三甲基镓TMGa流量为10sccm，O2流量为300sccm，在衬底上外延生长厚度为600nm、电子浓度为1×1017cm-3的低掺杂n型Ga2O3薄膜。
步骤C：制作欧姆接触电极,如图4(c)。
在外延生长后的高掺杂n型Ga2O3衬底背面蒸发金属Ti/Au，其中Ti的厚度为50nm，Au厚度为200nm，再在N2环境中进行550℃的60s快速热退火，形成欧姆接触电极的样片。
步骤D：使用溶胶-凝胶法生长钛酸锶铅PST介质薄膜，如图4(d)。
D1)将Pb(Ac)2的醋酸溶液、Sr(Ac)2的醋酸溶液以及Ti(OC4H9)4的乙二醇甲醚溶液加热搅拌混合，制成浓度为0.4mol/L的前驱体溶液；
D2)将前驱体溶液在低掺杂n型Ga2O3外延层上以3000r/min的速度旋转30s，得到钛酸锶铅PST介质薄膜，并在100℃的烘箱中烘烤40分钟；
D3)重复D2)共4次，形成厚度为20nm的钛酸锶铅介质薄膜。
步骤E：在钛酸锶铅PST介质薄膜上刻蚀出窗口。
E1)在钛酸锶铅PST介质薄膜上涂光刻胶，利用紫外曝光技术制备肖特基电极淀积所需窗口的掩膜图形，如图4(e)；
E2)将带有掩膜图形的样片放入反应离子刻蚀机设备中，设置三氟甲烷CHF3的气体流量为30sccm，氩Ar的气体流量为10sccm，含量为30％，反应室压力为25mT，射频功率为150W的工艺参数，在钛酸锶铅PST介质层上刻蚀出淀积肖特基电极所需的第一窗口，如图4(f)。
步骤F：蒸发淀积金属Ni/Au。
F1)刻蚀完成后，在样片的低掺杂n型Ga2O3和钛酸锶铅PST介质上涂光刻胶，光刻得到淀积肖特基电极的第二窗口，如图4(g)；
F2)将光刻后的样片放入电子束蒸发台中，在钛酸锶铅PST介质薄膜和低掺杂n型Ga2O3上蒸发依次淀积厚度为50nm的金属Ni和厚度为200nm的金属Au，如图4(h)。
步骤G：金属剥离,如图4(i)。
将完成淀积的样片除掉光刻胶和光刻胶上的金属，形成肖特基接触电极，完成基于顺电介质的肖特基二极管的制作。
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，再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 (4)
1.一种基于顺电介质的肖特基二极管制作方法，其特征在于，包括如下步骤:
1)选用高掺杂的n型Ga2O3衬底进行标准清洗；
2)将标准清洗后的衬底放入MOCVD反应室中，分别以三甲基镓TMGa和高纯O2为Ga源和O源，设置反应室温度为700℃，生长压力为120Pa，三甲基镓TMGa流量为10sccm，O2流量为300sccm，在衬底上外延生长厚度为600nm的低掺杂n型Ga2O3薄膜；
3)将外延后的衬底放入电子束蒸发台中，在Ga2O3衬底背面蒸发金属Ti/Au，再在N2环境中进行550℃的60s快速热退火，形成欧姆接触电极的样品；
4)以分析纯乙酸钡[Ba(CH3COO)2]、乙酸锶[Sr(CH3COO)2·1/2H2O]及化学纯的钛酸丁酯[Ti(OC4H9)4]为原料，以分析纯冰乙酸[CH3COOH]为溶剂，分析纯的乳酸[CH3CH(OH)COOH]为稳定剂，按组分Ba0.7Sr0.3TiO3的化学配比要求制备钛酸锶钡BST顺电介质薄膜的前驱体溶液；
5)将前驱体溶液，在低掺杂n型Ga2O3外延层上采用旋涂工艺，以速度3000r/min甩涂30s，制备钛酸锶钡BST顺电介质薄膜，并在80℃-100℃的烘箱中烘烤30-40分钟，如此重复2-4次，形成厚度10-20nm的钛酸锶钡BST顺电介质薄膜；
6)在钛酸锶钡BST顺电介质薄膜上涂光刻胶，利用紫外曝光技术制备肖特基电极淀积所需窗口的掩膜图形；
7)将样品放入反应离子刻蚀机设备中，设置三氟甲烷CHF3的气体流量为30sccm，氩Ar的气体流量为10sccm，含量为30％，反应室压力为25mT，射频功率为150W，在钛酸锶钡BST顺电介质薄膜上刻蚀出淀积肖特基电极所需的第一窗口；
8)刻蚀完成后，在样品的低掺杂n型Ga2O3薄膜和钛酸锶钡BST顺电介质薄膜上涂光刻胶，光刻出淀积肖特基电极所需的第二窗口；
9)将光刻后的样品放入电子束蒸发台中，在钛酸锶钡BST顺电介质薄膜和低掺杂n型Ga2O3薄膜上蒸发淀积金属Ni/Au，
10)将完成淀积的样品去除掉光刻胶和光刻胶上的金属，形成肖特基接触电极，完成整个器件的制作。
2.根据权利要求书1所述的制作方法，其特征在于：1)中对高掺杂的n型Ga2O3衬底进行标准清洗，是先将高掺杂n型Ga2O3衬底放入80℃的有机清洗液中清洗20min，再放入HF:H2O＝1:1的溶液中腐蚀60s，再将腐蚀后的Ga2O3衬底用流动的去离子水清洗60s，并用高纯氮气吹干。
3.根据权利要求书1所述的制作方法，其特征在于：3)中在Ga2O3衬底背面蒸发金属Ti/Au，其Ti的厚度为20-50nm，Au厚度为100-200nm。
4.根据权利要求书1所述的制作方法，其特征在于：9)中在低掺杂n型Ga2O3薄膜上蒸发淀积金属Ni/Au，其金属Ni的厚度为20-50nm，金属Au的厚度为100-200nm。
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