CN112993042A - 倍频单片、GaN太赫兹二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种倍频单片、GaN太赫兹二极管及其制备方法，属于半导体器件技术领域，GaN太赫兹二极管包括N面上外延生长有氮化铝中间层的外延GaN层、外延生长于氮化铝中间层上的金刚石衬底层、依次外延生长于外延GaN层的Ga面上的高掺杂N型GaN层和低掺杂N型GaN层，以及欧姆接触电极和肖特基接触电极。本发明提供的GaN太赫兹二极管采用金刚石衬底层作为器件衬底结构，能够提高GaN太赫兹二极管的散热性能，降低器件内部结温和内部寄生电容，提升GaN太赫兹二极管的耐功率水平。本发明提供的倍频单片采用了上述GaN太赫兹二极管。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，更具体地说，是涉及一种倍频单片、GaN太赫兹二极管及其制备方法。
背景技术
GaN(氮化镓)二极管相比于传统GaAs(砷化镓)二极管具有一定的耐功率优势，目前，GaN二极管常用的GaN材料大多是采用蓝宝石、碳化硅或硅衬底，由于这些衬底材料的介电常数较高(约为10C2/N·M2)，因此器件内部的寄生电容升高，对毫米波和太赫兹波会产生较大的损耗，而且这类衬底材料的热导率较低(约为300W/m·K)，因此器件的散热能力较差，从而会导致器件内部结温升高，功率输出效率降低，甚至造成器件因高温烧毁或缩短使用寿命，严重影响GaN太赫兹二极管的耐功率水平，制约采用GaN太赫兹二极管的倍频单片的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种倍频单片、GaN太赫兹二极管及其制备方法，旨在解决现有技术的GaN太赫兹二极管耐功率水平低的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种GaN太赫兹二极管，包括：
外延GaN层，外延GaN层的N面上外延生长有氮化铝中间层；
金刚石衬底层，外延生长于氮化铝中间层上；
高掺杂N型GaN层，外延生长于外延GaN层的Ga面上，高掺杂N型GaN层的边缘与外延GaN层形成第一台阶结构，第一台阶结构的外延GaN层台面为有源区台面；
低掺杂N型GaN层，外延生长于高掺杂N型GaN层上，低掺杂N型GaN层的边缘与高掺杂N型GaN层形成第二台阶结构，第二台阶结构的高掺杂N型GaN层台面为欧姆接触台面；
欧姆接触电极，设于欧姆接触台面上，并与有源区台面电连接；
肖特基接触电极，设于低掺杂N型GaN层上，并与有源区台面电连接。
作为本申请另一实施例，外延GaN层厚度为2.5～3.5μm；氮化铝中间层厚度为45～55nm；金刚石衬底层厚度为30～150μm。
作为本申请另一实施例，高掺杂N型GaN层的厚度为2～4μm，掺杂浓度量级为1018/cm3～5×1019/cm3；低掺杂N型GaN层的厚度为100～400nm，掺杂浓度量级为1016/cm3～1018/cm3。
本发明提供的GaN太赫兹二极管的有益效果在于：与现有技术相比，本发明GaN太赫兹二极管，在外延GaN层的N面上外延生长有氮化铝中间层，并在氮化铝中间层上生长金刚石衬底层；在外延GaN层的Ga面上依次外延生长高掺杂N型GaN层和低掺杂N型GaN层，并通过刻蚀高掺杂N型GaN层和低掺杂N型GaN层形成第一台阶结构和第二台阶结构，从而获得有源区台面和欧姆接触台面，在将欧姆接触台面和低掺杂N型GaN层上分别制备欧姆接触电极和肖特基接触电极后获得GaN太赫兹二极管，由于金刚石材料的热导率高、介电常数低，因此以金刚石衬底层作为衬底结构，能够提高GaN太赫兹二极管的散热性能，降低器件内部结温和内部寄生电容，从而提高器件的功率输出效率，提升GaN太赫兹二极管的耐功率水平。
本发明还提供了一种倍频单片，包括上述GaN太赫兹二极管，其中，金刚石衬底层上设有倍频微带电路结构。
本方明提供的倍频单片采用了上述GaN太赫兹二极管，具有与上述GaN太赫兹二极管相同的有益效果，在此不再赘述。
本方明还提供了一种GaN太赫兹二极管的制备方法，用于制备上述GaN太赫兹二极管，包括以下步骤：
步骤S101，在衬底材料上外延生长N面GaN，获得外延GaN层，并在外延GaN层的N面上外延生长氮化铝中间层；
步骤S102，在氮化铝中间层上外延生长金刚石薄膜，获得金刚石衬底层；
步骤S103，将衬底材料进行机械减薄、化学机械抛光研磨、等离子刻蚀，完整露出外延GaN层的Ga面；
步骤S104，在外延GaN层的Ga面上依次外延生长高掺杂N型GaN层、低掺杂N型GaN层；
步骤S105，在低掺杂N型GaN层上进行刻蚀，露出高掺杂N型GaN层的边缘，并在露出的高掺杂N型GaN层上进行刻蚀，露出外延GaN层的Ga面边缘，获得有源区台面；
步骤S106，再次在低掺杂N型GaN层上进行刻蚀，并露出高掺杂N型GaN层，获得欧姆接触台面；
步骤S107，在欧姆接触台面上依次进行光刻、蒸发、剥离、高温退火，形成欧姆接触；
步骤S108，在低掺杂N型GaN层上蒸发Ti/Au或Ni/Au，形成肖特基接触，获得GaN太赫兹二极管。
作为本申请另一实施例，在步骤S101中，衬底材料为C面SiC或蓝宝石，厚度为300～500μm；外延GaN层的厚度为2.5～3.5μm，氮化铝中间层的厚度为45～55nm。
作为本申请另一实施例，步骤S102包括：采用电弧法或CVD法(Chemical VaporDeposition，气相沉淀法)在氮化铝中间层上生长金刚石薄膜；对金刚石薄膜进行抛光处理，获得金刚石衬底层。
作为本申请另一实施例，金刚石衬底层的厚度为30～150μm；金刚石衬底层的表面粗糙度小于0.2μm。
作为本申请另一实施例，步骤S104包括：在外延GaN层的Ga面上外延生长2～4μm的高掺杂N型GaN层，高掺杂N型GaN层的掺杂浓度量级为1018/cm3～5×1019/cm3；在高掺杂N型GaN层上外延生长100～400nm的低掺杂N型GaN层，低掺杂N型GaN层的掺杂浓度量级为1016/cm3～1018/cm3。
作为本申请另一实施例，步骤S107包括：在欧姆接触台面上光刻欧姆接触区域；在欧姆接触区域内蒸发金属层，金属层依次为钛、铝、镍、金或钛、铝、铂、金；将金属层剥离后通过高温快速退火形成欧姆接触。
本方明提供的GaN太赫兹二极管的制备方法获得的GaN太赫兹二极管，具有与上述GaN太赫兹二极管相同的有益效果，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的GaN太赫兹二极管的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的GaN太赫兹二极管的制备方法在步骤S102制备的金刚石衬底层的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的GaN太赫兹二极管的制备方法在步骤S103获得金刚石衬底层后的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的GaN太赫兹二极管的制备方法在步骤S104获得高掺杂N型GaN层、低掺杂N型GaN层后的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的GaN太赫兹二极管的制备方法在步骤S105获得有源区台面后的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的GaN太赫兹二极管的制备方法在步骤S106获得欧姆接触台面后的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的GaN太赫兹二极管的制备方法的工艺流程框图；
图8为本发明实施例提供的GaN太赫兹二极管的制备方法的步骤S102的具体工艺流程框图；
图9为本发明实施例提供的GaN太赫兹二极管的制备方法的步骤S104的具体工艺流程框图；
图10为本发明实施例提供的GaN太赫兹二极管的制备方法的步骤S107的具体工艺流程框图。
图中：1、外延GaN层；10、有源区台面；11、N面；12、Ga面；2、氮化铝中间层；3、金刚石衬底层；4、高掺杂N型GaN层；40、欧姆接触台面；5、低掺杂N型GaN层；6、欧姆接触电极；7、肖特基接触电极；8、衬底材料。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图1至图6，现对本发明提供的GaN太赫兹二极管进行说明。所述GaN太赫兹二极管，包括：
外延GaN层1，外延GaN层1的N面11上外延生长有氮化铝中间层2；
金刚石衬底层3，外延生长于氮化铝中间层2上；
高掺杂N型GaN层4，外延生长于外延GaN层1的Ga面12上，高掺杂N型GaN层4的边缘与外延GaN层1形成第一台阶结构，第一台阶结构的外延GaN层台面为有源区台面10；
低掺杂N型GaN层5，外延生长于高掺杂N型GaN层4上，低掺杂N型GaN层5的边缘与高掺杂N型GaN层4形成第二台阶结构，第二台阶结构的高掺杂N型GaN层台面为欧姆接触台面40；
欧姆接触电极6，设于欧姆接触台面40上，并与有源区台面10电连接；
肖特基接触电极7，设于低掺杂N型GaN层5上，并与有源区台面10电连接。
本发明提供的GaN太赫兹二极管制备时，请参阅图2及图3，首先需要获得外延GaN层1，外延GaN层1是指在衬底材料8如蓝宝石、碳化硅或硅上采用外延工艺获得的GaN层，具体应当为外延生长N面GaN层，从而能够方便在外延GaN层1的N面11上外延生长氧化铝中间层，然后在衬底材料8的加强承载作用下进行金刚石衬底层3的外延生长，并在获得金刚石衬底层3以后将衬底材料8通过机械减薄、化学机械抛光研磨、等离子刻蚀等工艺进行全部去除，去除后露出外延GaN层1的Ga面12，从而能够获得完全以金刚石材料为基础的衬底结构。
本发明提供的GaN太赫兹二极管，与现有技术相比，在外延GaN层1的N面11上外延生长有氮化铝中间层2，并在氮化铝中间层2上生长金刚石衬底层3；在外延GaN层1的Ga面12上依次外延生长高掺杂N型GaN层4和低掺杂N型GaN层5，并通过刻蚀高掺杂N型GaN层4和低掺杂N型GaN层5形成第一台阶结构和第二台阶结构，从而获得有源区台面10和欧姆接触台面40，在将欧姆接触台面40和低掺杂N型GaN层5上分别制备欧姆接触电极6和肖特基接触电极7后获得GaN太赫兹二极管，由于金刚石材料的热导率高、介电常数低，因此以金刚石衬底层3作为衬底结构，能够提高GaN太赫兹二极管的散热性能，降低器件内部结温和内部寄生电容，从而提高器件的功率输出效率，提升GaN太赫兹二极管的耐功率水平。
作为本发明提供的GaN太赫兹二极管的一种具体实施方式，请参阅图1，外延GaN层1厚度为2.5～3.5μm；氮化铝中间层2厚度为45～55nm；金刚石衬底层3厚度为30～150μm。具体的，外延GaN层1厚度优选为3μm、氮化铝中间层2的厚度为50nm、金刚石衬底层3的厚度为150μm，既能够保证金刚石衬底层3的外延生长需要，降低制备难度，节约加工成本，又能够确保金刚石衬底层3进行充分的热传导，从而确保器件整体散热性好，降低器件内部结温和寄生电容，进而提高器件的耐功率水平。
本实施例中，请参阅图1，高掺杂N型GaN层4的厚度为2～4μm，掺杂浓度量级为1018/cm3～5×1019/cm3；低掺杂N型GaN层5的厚度为100～400nm，掺杂浓度量级为1016/cm3～1018/cm3。方便形成稳定的欧姆接触和肖特基接触，功率输出水平高。
本发明还提供了一种倍频单片。请参阅图1，所述倍频单片包括上述GaN太赫兹二极管，其中，金刚石衬底层3上设有倍频微带电路结构。
本发明提供的倍频单片，采用了上述GaN太赫兹二极管，在外延GaN层1的N面11上外延生长有氮化铝中间层2，并在氮化铝中间层2上生长金刚石衬底层3；在外延GaN层1的Ga面12上依次外延生长高掺杂N型GaN层4和低掺杂N型GaN层5，并通过刻蚀高掺杂N型GaN层4和低掺杂N型GaN层5形成第一台阶结构和第二台阶结构，从而获得有源区台面10和欧姆接触台面40，在将欧姆接触台面40和低掺杂N型GaN层5上分别制备欧姆接触电极6和肖特基接触电极7后获得GaN太赫兹二极管，由于金刚石材料的热导率高、介电常数低，因此以金刚石衬底层3作为衬底结构，能够提高GaN太赫兹二极管的散热性能，降低器件内部结温和内部寄生电容，从而提高器件的功率输出效率，提升GaN太赫兹二极管的耐功率水平。
本发明还提供了一种GaN太赫兹二极管的制备方法，请一并参阅图1至图10，包括以下步骤：
步骤S101，参阅图2，在衬底材料8上外延生长N面GaN，获得外延GaN层1，并在外延GaN层1的N面11上外延生长氮化铝中间层2；
步骤S102，参阅图2，在氮化铝中间层2上外延生长金刚石薄膜，获得金刚石衬底层3；
步骤S103，参阅图3，将衬底材料8进行机械减薄、化学机械抛光研磨、等离子刻蚀，完整露出外延GaN层1的Ga面12；
步骤S104，参阅图4，在外延GaN层1的Ga面12上依次外延生长高掺杂N型GaN层4、低掺杂N型GaN层5；
步骤S105，参阅图5，在低掺杂N型GaN层5上进行刻蚀，露出高掺杂N型GaN层4的边缘，并在露出的高掺杂N型GaN层4上进行刻蚀，露出外延GaN层1的Ga面12边缘，获得有源区台面10；
步骤S106，参阅图6，再次在低掺杂N型GaN层5上进行刻蚀，并露出高掺杂N型GaN层4，获得欧姆接触台面40；
步骤S107，参阅图1，在欧姆接触台面40上依次进行光刻、蒸发、剥离、高温退火，形成欧姆接触；
步骤S108，参阅图1，在低掺杂N型GaN层5上蒸发Ti/Au或Ni/Au，形成肖特基接触，获得GaN太赫兹二极管。
需要说明的是，太赫兹器件要求具有超薄的衬底结构，而金刚石材料本身的减薄难度极大，而若直接采用超薄的金刚石衬底层3外延生长GaN又无法满足工艺强度要求，难以实现。
本发明提供的GaN太赫兹二极管的制备方法，通过在衬底材料8上外延氮化铝中间层2后，继续外延生长金刚石衬底层3的方式，以衬底材料8支撑金刚石衬底层3的结构强度，在获得金刚石衬底层3后再将衬底材料8去除，从而能够确保获得的金刚石衬底层3厚度满足太赫兹器件的超薄衬底要求，最终获得的以金刚石材料作为衬底结构的GaN太赫兹二极管，利用金刚石材料介电常数低、热导率高的特性，能够提高GaN太赫兹二极管的散热性能，降低器件内部结温和内部寄生电容，从而提高器件的功率输出效率，提升GaN太赫兹二极管的耐功率水平。
在本实施例中，步骤S105及步骤S106中的刻蚀工艺采用ICP(InductivelyCoupled Plasma，电导耦合等离子)刻蚀工艺。ICP技术是一种半导体刻蚀工艺技术，是微纳加工常用的技术手段，工艺成熟，加工过程可控程度高。
作为本发明提供的GaN太赫兹二极管的制备方法的一种具体实施方式，请参阅图2，在步骤S101中，衬底材料8为C面SiC或蓝宝石，厚度为300～500μm；外延GaN层1的厚度为2.5～3.5μm，氮化铝中间层2的厚度为45～55nm。应当说明，C面SiC即碳面露出的碳化硅，采用C面SiC或蓝宝石进行外延生长GaN，工艺成熟，制备难度低，能够降低加工成本，衬底材料8优选厚度为400μm，一方面节省材料，另一方面能够保证外延GaN层1的结构强度，方便进行后续氮化铝中间层2和金刚石衬底层3的制备；另外，外延GaN层1优选厚度为3μm，氮化铝中间层2的优选厚度为50nm，在满足金刚石衬底层3的外延生长需求的情况下，能够降低制备难度，节约材料成本。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2及图8，步骤S102包括：
步骤S1021，采用电弧法或CVD法在氮化铝中间层2上生长金刚石薄膜；
步骤S1022，对金刚石薄膜进行抛光处理，获得金刚石衬底层3。
由于在氮化铝中间层2上直接生长获得的金刚石薄膜的表面粗糙度较差，因此将金刚石薄膜的表面进行抛光，确保最终获得的金刚石衬底表面质量好，从而能够提高器件连接可靠性。
在本实施例中，请参阅图2，金刚石衬底层3的厚度为30～150μm；金刚石衬底层3的表面粗糙度小于0.2μm。能够确保金刚石衬底层3进行充分的热传导，从而确保器件整体散热性好，降低器件内部结温和寄生电容，进而提高器件的耐功率水平。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图4及图9，步骤S104包括：
步骤S1041，在外延GaN层1的Ga面12上外延生长2～4μm的高掺杂N型GaN层4，高掺杂N型GaN层4的掺杂浓度量级为1018/cm3～5×1019/cm3；
步骤S1042，在高掺杂N型GaN层4上外延生长100～400nm的低掺杂N型GaN层5，低掺杂N型GaN层5的掺杂浓度量级为1016/cm3～1018/cm3。
确保欧姆接触和肖特基接触的接触状态稳定，功率输出稳定，从而提高器件功率输出水平。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图6及图10，步骤S107包括：
步骤S1071，在欧姆接触台面40上光刻欧姆接触区域；
步骤S1072，在欧姆接触区域内蒸发金属层，金属层依次为钛、铝、镍、金或钛、铝、铂、金；
步骤S1073，将金属层剥离后通过高温快速退火形成欧姆接触。
工艺过程简单，容易实现，获得的欧姆接触稳定可靠，确保器件功率输出高效稳定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.GaN太赫兹二极管，其特征在于，包括：
外延GaN层，所述外延GaN层的N面上外延生长有氮化铝中间层；
金刚石衬底层，外延生长于所述氮化铝中间层上；
高掺杂N型GaN层，外延生长于所述外延GaN层的Ga面上，所述高掺杂N型GaN层的边缘与所述外延GaN层形成第一台阶结构，所述第一台阶结构的外延GaN层台面为有源区台面；
低掺杂N型GaN层，外延生长于所述高掺杂N型GaN层上，所述低掺杂N型GaN层的边缘与所述高掺杂N型GaN层形成第二台阶结构，所述第二台阶结构的高掺杂N型GaN层台面为欧姆接触台面；
欧姆接触电极，设于所述欧姆接触台面上，并与所述有源区台面电连接；
肖特基接触电极，设于所述低掺杂N型GaN层上，并与所述有源区台面电连接。
2.如权利要求1所述的GaN太赫兹二极管，其特征在于，所述外延GaN层厚度为2.5～3.5μm；所述氮化铝中间层厚度为45～55nm；所述金刚石衬底层厚度为30～150μm。
3.如权利要求1所述的GaN太赫兹二极管，其特征在于，所述高掺杂N型GaN层的厚度为2～4μm，掺杂浓度量级为1018/cm3～5×1019/cm3；所述低掺杂N型GaN层的厚度为100～400nm，掺杂浓度量级为1016/cm3～1018/cm3。
4.倍频单片，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的GaN太赫兹二极管，其中，所述金刚石衬底层上设有倍频微带电路结构。
5.GaN太赫兹二极管的制备方法，用于制备如权利要求1-3任一项所述的GaN太赫兹二极管，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S101，在衬底材料上外延生长N面GaN，获得外延GaN层，并在所述外延GaN层的N面上外延生长氮化铝中间层；
步骤S102，在所述氮化铝中间层上外延生长金刚石薄膜，获得金刚石衬底层；
步骤S103，将所述衬底材料进行机械减薄、化学机械抛光研磨、等离子刻蚀，完整露出所述外延GaN层的Ga面；
步骤S104，在所述外延GaN层的Ga面上依次外延生长高掺杂N型GaN层、低掺杂N型GaN层；
步骤S105，在所述低掺杂N型GaN层上进行刻蚀，露出所述高掺杂N型GaN层的边缘，并在露出的所述高掺杂N型GaN层上进行刻蚀，露出所述外延GaN层的Ga面边缘，获得有源区台面；
步骤S106，再次在所述低掺杂N型GaN层上进行刻蚀，并露出所述高掺杂N型GaN层，获得欧姆接触台面；
步骤S107，在所述欧姆接触台面上依次进行光刻、蒸发、剥离、高温退火，形成欧姆接触；
步骤S108，在所述低掺杂N型GaN层上蒸发Ti/Au或Ni/Au，形成肖特基接触，获得GaN太赫兹二极管。
6.如权利要求5所述的GaN太赫兹二极管的制备方法，其特征在于，在所述步骤S101中，所述衬底材料为C面SiC或蓝宝石，厚度为300～500μm；所述外延GaN层的厚度为2.5～3.5μm，所述氮化铝中间层的厚度为45～55nm。
7.如权利要求5所述的GaN太赫兹二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤S102包括：
采用电弧法或CVD法在所述氮化铝中间层上生长所述金刚石薄膜；
对所述金刚石薄膜进行抛光处理，获得所述金刚石衬底层。
8.如权利要求7所述的GaN太赫兹二极管的制备方法，其特征在于，其特征在于，所述金刚石衬底层的厚度为30～150μm；所述金刚石衬底层的表面粗糙度小于0.2μm。
9.如权利要求5所述的GaN太赫兹二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤S104包括：
在所述外延GaN层的Ga面上外延生长2～4μm的高掺杂N型GaN层，所述高掺杂N型GaN层的掺杂浓度量级为1018/cm3～5×1019/cm3；
在所述高掺杂N型GaN层上外延生长100～400nm的低掺杂N型GaN层，所述低掺杂N型GaN层的掺杂浓度量级为1016/cm3～1018/cm3。
10.如权利要求5所述的GaN太赫兹二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤S107包括：
在所述欧姆接触台面上光刻欧姆接触区域；
在所述欧姆接触区域内蒸发金属层，所述金属层依次为钛、铝、镍、金或钛、铝、铂、金；
将所述金属层剥离后通过高温快速退火形成欧姆接触。
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