CN112864014B - 蓝宝石基GaN准垂直肖特基二极管反向漏电减小方法及肖特基二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蓝宝石基GaN准垂直肖特基二极管反向漏电减小方法及肖特基二极管，采用光刻工艺在GaN样品上制备金属Ni腌膜；然后采用感应耦合等离子体干法刻蚀工艺对GaN样品进行刻蚀操作，直到n+GaN层；结合电子束工艺在刻蚀完的n+GaN样品上蒸镀Ti/Al/Ni/Au金属层，并在高温N2环境下进行快速热退火处理；采用光刻和电子束在n‑GaN台面上完成Ni/Au肖特基接触的制备；再将spin‑on glass旋涂在GaN样品表面，并采用湿法刻蚀将阴阳极金属电极漏出；最后将GaN样品放入超临界反应釜内，加入异丙醇和去离子水密封后进行反应，得到基于超临界二氧化碳流体的蓝宝石基GaN准垂直肖特基二极管。本发明能够改善对蓝宝石基GaN准垂直肖特基二极管的反向漏电，实现二极管反向漏电的显著降低。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域，具体涉及一种蓝宝石基GaN准垂直肖特基二极管反向漏电减小方法及肖特基二极管。
背景技术
以氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁带半导体材料，凭借其高的临界击穿场强、高的电子饱和漂移速度，正迅速成为高频大功率器件的首选材料。尤其在功率二极管整流器件领域更是具有重要的应用前景，肖特基二极管(SBD)作为一种重要的两端电子元件在检波、混频等电路中具有重要的应用。但是目前存在的一个重要问题在于制备的肖特基二极管的反向漏电都普遍较大，使得器件在很低的反向偏压下就发生了提前的预击穿，严重降低了器件的性能和应用，所以如何有效的减小反向漏电对于扩大GaN肖特基二极管的应用极为重要。目前，报道的减小准垂直氮化镓肖特基二极管反向漏电的方法主要有生长SiO2、Si3N4钝化层，但是存在一个问题在于无论是采用PECVD还是电子束蒸镀的钝化层，其生长的质量都无法保证，有些情况下，生长完钝化层的二极管器件的反向漏电反而会变大，造成这一结果的原因就在于SiO2、Si3N4等的质量并不好，会存在Si悬键，Si空位等这些最终都会影响器件的反向漏电性能，那么如何有效的提高钝化层的质量，值得深入研究。
超临界状态是指某种物质的温度和压力都处于其临界温度(Tc)和临界压力(Pc)以上时的状态，处于此状态下的物质没有气液界面的区别，称为超临界流体(Supercritical Fluids，简称为SCF)。超临界流体具有气体和液体的双重性质，同时又表现出自身独特的性能。其最大的特点是有极高的流动性、传递性和溶解性，压强通常为几十到几百个大气压。超临界流体浓度高，扩散性好，而其中的超临界二氧化碳流体已经有不少报道称其可以轻易的将H2O等小分子携带进入化合物的缺陷处，并对其中的缺陷产生有效的钝化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种蓝宝石基GaN准垂直肖特基二极管反向漏电减小方法及肖特基二极管，经过超临界流体的处理GaN准垂直肖特基二极管，使得肖特基二极管反向漏电获得2个数量级的降低。
本发明采用以下技术方案：
蓝宝石基GaN准垂直肖特基二极管反向漏电减小方法，其特征在于，采用光刻工艺在GaN样品上制备金属Ni腌膜；然后采用感应耦合等离子体干法刻蚀工艺对GaN样品进行刻蚀操作，直到n+GaN层；结合电子束工艺在刻蚀完的n+GaN样品上蒸镀Ti/Al/Ni/Au金属层，并在高温N2环境下进行快速热退火处理；采用光刻和电子束在n-GaN台面上完成Ni/Au肖特基接触的制备；再将spin-on glass旋涂在GaN样品表面，并采用湿法刻蚀工艺进行相应的开窗口操作，以漏出正负电极；最后将GaN样品放入超临界反应釜内，加入异丙醇和去离子水密封后进行反应，得到基于超临界二氧化碳流体的蓝宝石基GaN准垂直肖特基二极管。
具体的，光刻工艺前，先将GaN样品依次在丙酮、异丙醇、去离子水中进行清洗。
具体的，金属Ni腌膜的厚度为150～300nm。
具体的，蒸镀Ti/Al/Ni/Au金属层过程中，采用RTA快速退火设备在750～850℃，N2环境处理20～40s。
具体的，肖特基阳极金属选择Ni/Au金属。
具体的，采用匀胶机将SOG旋涂在GaN表面，匀胶机的转速为3000～4000rpm，然后采用湿法刻蚀工艺在旋涂后的GaN样品表面进行阳极和阴极金属的开窗口实验。
具体的，超临界反应中，设备温度从室温上升到120～160℃，同时反应釜内的压强为19～22MPa，维持以上温度和压强30～60min。
具体的，超临界反应中，向超临界反应釜内充入CO2气体。
本发明的另一个技术方案是，一种肖特基二极管。
具体的，肖特基二极管在反向偏压范围内，漏电降低2个数量级。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于超临界流体的蓝宝石基GaN准垂直肖特基二极管反向漏电减小方法，通过采用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀工艺对以上样品进行刻蚀操作，直到n+GaN层，在GaN准垂直肖特基二极管制备好后，采用超临界流体工艺对该器件进行相应的处理，实现二极管反向漏电的显著降低。
进一步的，使用金属Ni作为GaN深台面刻蚀的腌膜，最终需要保证制备的Ni腌膜厚度在150～300nm，金属Ni和GaN的粘附性好，且Ni廉价易得，所以采用Ni作为掩膜。
进一步的，采用光刻并结合电子束工艺在以上刻蚀完后的n+GaN样片上蒸镀Ti/Al/Ni/Au金属层，并采用RTA快速退火设备在750～850℃，N2环境处理20～40s，金属Ti在高温处理后，容易和GaN发生反应，生成相关的合金，最终获得比接触电阻较低的欧姆接触。
进一步的，采用光刻和电子束在n-GaN台面上完成Ni/Au肖特基接触的制备，金属Ni的功函数为5.1eV，容易和GaN形成肖特基接触，外层的金属Au主要起到抗氧化的作用。
进一步的，将spin-on glass(SOG)旋涂在以上GaN表面，匀胶机转速3000～4000rpm，获得厚度均匀的旋涂层。
进一步的，超临界反应中，在合适的温度，压强以及一定的时间下，超临界CO2能充分将水分子等小分子输运进入缺陷处，从而对其进行有效的钝化，最终达到减小反向漏电的结果。
进一步的，超临界反应中充入CO2，CO2本身的临界温度是31℃，临界压强是7.38MPa，容易达到超临界状态，且超临界状态的CO2可以展现出良好的穿透能力和溶解能力，从而将水分子等小分子进行有效的输运。
一种蓝宝石基GaN准垂直肖特基二极管，采用超临界流体工艺对其进行相应的后处理，能够有效的降低二极管反向漏电，整流效果明显，为进一步制备GaN基垂直结构肖特基二极管打下基础。
综上所述，本发明能够采用新型超临界流体工艺完成对蓝宝石基GaN准垂直肖特基二极管反向漏电的改善，采用超临界流体工艺对该器件进行相应的处理后，实现二极管反向漏电的显著降低。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为将氮化镓器件放入超临界设备内的整个效果图；
图2为超临界流体处理前后蓝宝石基GaN-SBD反向电学特性对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明一种蓝宝石基GaN准垂直肖特基二极管反向漏电减小方法及肖特基二极管，包括以下步骤：
S1、将蓝宝石基GaN样品在丙酮、异丙醇、去离子水当中依次进行清洗；
S2、采用光刻工艺在清洗后的GaN样品上制备150～300nm的金属Ni腌膜；
S3、采用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀工艺对步骤S2处理后的GaN样品进行刻蚀操作，直到n+GaN层；
S4、采用光刻并结合电子束工艺在步骤S3刻蚀完后的n+GaN样品上蒸镀Ti/Al/Ni/Au金属层，并采用RTA快速退火设备在750～850℃，N2环境处理20～40s；
S5、采用光刻和电子束在n-GaN台面上完成Ni/Au肖特基接触的制备；
肖特基阳极金属选择功函数较大的Ni/Au金属。
S6、将spin-on glass(SOG)旋涂在步骤S5处理后的GaN样品表面然后采用湿法刻蚀工艺在旋涂后的GaN样品表面进行阳极和阴极金属的开窗口实验，漏出电极；
采用匀胶机控制转速在3000～4000rpm，将SOG旋涂在GaN表面。
S7、将步骤S6处理完后的GaN样品放入超临界反应釜内石英桌上，向超临界设备内加入微量的异丙醇(IPA)和去离子水然后将设备密封，通过增压泵向超临界反应釜内充入CO2气体；将超临界设备温度从室温上升到120～160℃，同时反应釜内的压强控制到19～22MPa，维持以上温度和压强30～60min，取出待测样品，采用4200半导体参数分析仪对其电学性能进行基本的测试，如图1所示。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将制备好的GaN-SBD器件放置在超临界设备内石英桌上，之后放入超临界反应釜中进行处理，冲入7MPa CO2，升温到120℃，压强控制在20Mpa，保持这一温度和压强30min。
实施例2
将制备好的GaN-SBD器件放置在超临界设备内石英桌上，之后放入超临界反应釜中进行处理，冲入7MPa CO2，升温到120℃，压强控制在20Mpa，保持这一温度和压强40min。
实施例3
将制备好的GaN-SBD器件放置在超临界设备内石英桌上，之后放入超临界反应釜中进行处理，冲入7MPa CO2，升温到120℃，压强控制在20Mpa，保持这一温度和压强50min。
实施例4
将制备好的GaN-SBD器件放置在超临界设备内石英桌上，之后放入超临界反应釜中进行处理，冲入7MPa CO2，升温到120℃，压强控制在20Mpa，保持这一温度和压强60min。
上述的四个实例中，均可以在处理后，达到减小GaN-SBD反向漏电的目的。
请参阅图2，是超临界流体处理前后GaN准垂直肖特基二极管反向电学特性的变化，从图中可以看出在经过超临界流体处理后，肖特基二极管的反向漏电有了非常明显的量级的降低，表明超临界流体对于减小蓝宝石基GaN准垂直肖特基二极管的反向漏电有非常明显的效果。
综上所述，本发明一种蓝宝石基GaN准垂直肖特基二极管反向漏电减小方法及肖特基二极管，为GaN宽禁带半导体功率整流器件的进一步应用打下基础。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，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，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (4)
1.蓝宝石基GaN准垂直肖特基二极管反向漏电减小方法，其特征在于，采用光刻工艺在GaN样品上制备厚度为300nm的金属Ni腌膜，光刻工艺前，先将GaN样品依次在丙酮、异丙醇、去离子水中进行清洗；然后采用感应耦合等离子体干法刻蚀工艺对GaN样品进行刻蚀操作，直到n+GaN层；结合电子束工艺在刻蚀完的n+GaN样品上蒸镀Ti/Al/Ni/Au金属层，并在高温N2环境下进行快速热退火处理，以形成欧姆接触，蒸镀Ti/Al/Ni/Au金属层过程中，采用RTA快速退火设备在850℃，N2环境处理40s；采用光刻和电子束在n-GaN台面上完成Ni/Au肖特基接触的制备；采用匀胶机将SOG旋涂在GaN表面，匀胶机的转速为4000rpm，然后采用湿法刻蚀工艺在旋涂后的GaN样品表面进行阳极和阴极金属的开窗口实验，漏出电极；最后将GaN样品放入超临界反应釜内，向超临界反应釜内充入CO2气体，加入异丙醇和去离子水密封后进行反应，设备温度从室温上升到160℃，同时反应釜内的压强为22MPa，维持以上温度和压强60min，得到基于超临界二氧化碳流体的蓝宝石基GaN准垂直肖特基二极管。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，肖特基阳极金属选择Ni/Au金属。
3.一种肖特基二极管，其特征在于，根据权利要求1所述方法制备而成。
4.根据权利要求3所述的肖特基二极管，其特征在于，肖特基二极管在反向偏压范围内，漏电降低2个数量级。
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