CN113838817A - 一种金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金刚石基氮化镓异质结二极管器件及其制备方法，首先在金刚石衬底表面自下而上依次外延生长重、轻掺杂的n型金刚石多层结构，并在多层结构上沉积过渡介质层；然后对过渡介质层进行光刻、显影、刻蚀等工艺处理，形成图形化的n型金刚石层台面；接着在露出的n型金刚石层表面依次外延生长本征氮化镓层或量子阱层结构、p型氮化镓层、介质保护层和钝化层；最后通过光刻、显影、刻蚀、薄膜沉积等工艺在p型氮化镓层和n型金刚石层上形成p型和n型金属电极，从而得到n型金刚石‑p型氮化镓结合的金刚石基氮化镓异质结二极管器件。所得金刚石基氮化镓异质结二极管器件具有高浓度和高迁移率二维电子气，适合高温、高频、高功率器件应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，属于半导体材料与器件技术领域。
背景技术
金刚石集电学、光学、力学、声学和热学等特性于一体，特别是其自身具备的宽禁带（5.5 eV）、高载流子迁移率（~107 cm/s）、较低相对介电常数（5.7）和高击穿场强（10 MV/cm）等优异电学特性，以及高导热性能，被誉为最理想的超宽禁带半导体材料—终极半导体，在5G、6G、深紫外光电器件、高压大功率电子器件等领域具有显著的优势和巨大的发展潜力。但是作为半导体器件的基本单元，金刚石外延生长同质pn结器件的制造难度大、成本高，且很难获得高质量大尺寸掺杂金刚石，使其应用受到极大限制。
宽禁带氮化镓基半导体材料具有高电子漂移饱和速度、高击穿场强、化学稳定性高等优点，作为第三代半导体材料被广泛应用在照明、电子、通信、航空航天等领域，但随着氮化镓基器件的工作频率和功率越来越高，且在工作过程中产生大量热量，严重影响其高温高功率器件应用。中国发明专利 “一种金刚石异质结二极管器件的制备方法”（CN201811385900.7）中，结合GaN异质外延生长技术和横向外延生长技术，提出一种可获得高质量界面的金刚石异质结二极管器件的制备方法，预期解决金刚石n型掺杂困难和高质量异质结界面的问题。然而该方法实施过程中存在应力调节层、种子层、保护层、介质层等中间层的横、侧向的多次生长和去除步骤，一方面操作过程较复杂，造成工艺难控制和高成本，另一方面多次生长和去除过程会影响金刚石与氮化镓的表、界面态特性，产生过多缺陷，影响异质结的电气性能。
发明内容
本发明旨在提供一种金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，结合金刚石与氮化镓优异的半导体特性和高导热性等优势，通过合理设计和优化金刚石与氮化镓的半导体掺杂结构及其之间介质层结构和组成，有效减少热失配、晶格匹配以及界面热阻问题，从而获得具有高浓度和高迁移率二维电子气的金刚石基氮化镓异质结二极管，满足更高性能和环境的应用需求。
本发明基于氮化镓基二极管结构，充分利用氮化镓和金刚石在宽禁带、高载流子迁移率、高击穿场强等方面的优异半导体特性，在氮化镓基器件中优化设计金刚石半导体和钝化层，以及中间介质层和功能层（本征半导体层或量子阱层）的结构和组成，形成n型（p型）金刚石-p型（n型）氮化镓结合的金刚石基氮化镓异质结二极管。不仅可以利用金刚石高导热特性，降低界面热阻、提升氮化镓异质结高功率器件的散热效果，而且所得金刚石基氮化镓异质结二极管可具有高浓度和高迁移率二维电子气，同时可以减少氮化镓层表面或界面中的缺陷位错，降低氮化镓基二极管作为探测器器件的表面漏电流，对于提高氮化镓异质结二极管在高温、高频、高功率器件方面的应用有显著意义。
本发明提供了一种金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，在金刚石衬底表面自下而上依次进行重、轻掺杂形成n型金刚石多层结构，并在多层结构上沉积过渡介质层；对过渡介质层进行光刻、显影、刻蚀等工艺处理形成图形化的n型金刚石层台面；在n型金刚石层表面依次外延生长本征氮化镓层或量子阱层、p型氮化镓层、介质保护层和钝化层；分别在p型氮化镓层和n型金刚石层上形成p型和n型金属电极，从而得到n型金刚石-p型氮化镓结合的金刚石基氮化镓异质结二极管。采用相同方法，通过改变掺杂类型同时可得到p型金刚石-n型氮化镓结合的金刚石基氮化镓异质结二极管。
上述金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）在金刚石衬底表面自下而上依次进行元素重、轻掺杂或注入外延生长n型金刚石多层膜，并对其进行精密抛光处理；
（2）通过等离子体增强化学气相沉积、电子束蒸发、脉冲激光熔融等技术在抛光后的n型金刚石多层膜表面沉积过渡介质层；
（3）对过渡介质层进行常规光刻、显影、湿法腐蚀/干法刻蚀等工艺处理，形成图形化的n型金刚石层台面；
（4）在露出的n型金刚石层表面采用金属有机化学气相沉积技术依次外延生长本征氮化镓层或量子阱层结构、p型氮化镓层；
（5）去除剩余过渡介质层，在p型氮化镓层表面自下而上依次沉积介质保护层和金刚石钝化层；
（6）通过常规光刻、显影、湿法腐蚀/干法刻蚀等工艺在p型氮化镓层和n型金刚石层上形成p型和n型电极区域
（7）采用电子束蒸发或磁控溅射等技术在p型和n型电极区域沉积金属多层薄膜，并剥离出p型和n型金属电极，最后对金属电极进行保护气氛退火处理，得到金刚石基氮化镓异质结二极管器件。
上述制备方法中，所述步骤（1）中，金刚石衬底包括金刚石自支撑多晶膜或金刚石单晶；所述重、轻掺杂n型金刚石多层膜包括n型或p型金刚石层，掺杂元素为磷或硼，载流子浓度为1015~1019 cm-3，制备方法包括微波等离子体化学气相沉积或热丝化学气相沉积；
上述制备方法中，所述步骤（2）中，过渡介质层薄膜包括氧化硅、氮化硅、镍等单层或多层结构的刻蚀掩膜层，厚度为100~800 nm；
上述制备方法中，所述步骤（3）中，过渡介质层腐蚀后露出n型金刚石层中间部分圆形或方形顶面；
上述制备方法中，所述步骤（4）中，本征氮化镓层厚度为5~20 µm，或量子阱层厚度为10~100 nm；所述p型氮化镓层包括p型或n型氮化镓，掺杂元素为镁或硅，厚度为200~800nm，载流子浓度为1015~1021 cm-3；
上述制备方法中，所述步骤（5）中，介质保护层包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化铝薄膜，制备方法包括等离子体增强化学气相沉积、电子束蒸发、激光熔融蒸发或磁控溅射技术；金刚石钝化层制备方法包括微波等离子体化学气相沉积或热丝化学气相沉积技术；介质层保护厚度为50~500 nm，金刚石层厚度为200~800 nm；
上述制备方法中，所述步骤（7）中，金属电极材料包括钛/铂/金、钛/铝/金、铬/铂/金多层薄膜，多层膜电极厚度为1~10 µm；保护气氛为氩气或氮气，退火温度为300~800 ℃。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明基于氮化镓基二极管结构，利用金刚石与氮化镓优异的半导体特性可形成n型（p型）金刚石-p型（n型）氮化镓结合的金刚石基氮化镓异质结二极管器件。
（2）本发明利用金刚石高导热特性，设计中间介质层结构和组成，可有效减少热失配、晶格匹配以及界面热阻问题，大幅提升氮化镓异质结高功率器件的散热效果。
（3）本发明所得金刚石基氮化镓异质结二极管可具有高浓度和高迁移率二维电子气，同时可减少氮化镓层表面或界面中的缺陷，对于提高氮化镓异质结二极管在高温、高频、高功率器件方面的应用有显著意义。
附图说明
图1为金刚石衬底表面掺杂n型金刚石多层膜结构示意图；
图2为n型金刚石多层膜表面沉积过渡介质层示意图；
图3为过渡介质层表面形成图形化的n型金刚石层台面示意图；
图4为n型金刚石层台面外延生长本征氮化镓层或量子阱层结构、p型氮化镓层示意图；
图5为p型氮化镓层表面依次沉积介质保护层和金刚石钝化层示意图；
图6为p型氮化镓层和n型金刚石层上形成p型和n型电极区域示意图；
图7为p型氮化镓层和n型金刚石层上形成p型和n型金属电极示意图。
图中：1、金刚石衬底；2、重掺杂n型金刚石层；3、轻掺杂n型金刚石层；4、过渡介质层；5、n型金刚石层台面；6、本征氮化镓层或量子阱层结构；7、p型氮化镓层；8、介质保护层；9、金刚石钝化层；10、n型电极区域；11、p型电极区域；12、n型金属电极；13、p型金属电极。
具体实施方式
本发明基于金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）在金刚石衬底1表面自下而上依次进行元素重掺杂或注入2和轻掺杂或注入3外延生长n型金刚石多层膜，并对其进行精密抛光处理。所述步骤（1）中，金刚石衬底包括金刚石自支撑多晶膜或金刚石单晶；所述重、轻掺杂n型金刚石多层膜包括n型或p型金刚石层，掺杂元素为磷或硼，载流子浓度为1015~1019 cm-3，制备方法包括微波等离子体化学气相沉积或热丝化学气相沉积。
（2）通过等离子体增强化学气相沉积、电子束蒸发、脉冲激光熔融等技术在抛光后的n型金刚石多层膜表面沉积过渡介质层4。所述步骤（2）中，过渡介质层薄膜包括氧化硅、氮化硅、镍等单层或多层结构的刻蚀掩膜层，厚度为100~800 nm。
（3）对过渡介质层4进行常规光刻、显影、湿法腐蚀/干法刻蚀等工艺处理，形成图形化的n型金刚石层台面5。所述步骤（3）中，过渡介质层腐蚀后露出n型金刚石层中间部分圆形或方形顶面。
（4）在露出的n型金刚石层5表面采用金属有机化学气相沉积技术依次外延生长本征氮化镓层或量子阱层结构6、p型氮化镓层7，腐蚀去除剩余过渡介质层。所述步骤（4）中，本征氮化镓层厚度为5~20µm，或量子阱层厚度为10~100nm；所述p型氮化镓层包括p型或n型氮化镓，掺杂元素为镁或硅，厚度为200~800nm，载流子浓度为1015~1021 cm-3。
（5）在p型氮化镓层表面自下而上依次沉积介质保护层8和金刚石钝化层9；所述步骤（5）中，介质保护层8包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化铝薄膜，制备方法包括等离子体增强化学气相沉积、电子束蒸发、激光熔融蒸发或磁控溅射技术；金刚石钝化层9制备方法包括微波等离子体化学气相沉积或热丝化学气相沉积技术；介质层保护厚度为50~500nm，金刚石层厚度为200~800nm；
（6）通过常规光刻、显影、湿法腐蚀/干法刻蚀等工艺在p型氮化镓层和n型金刚石层上形成p型电极区域11和n型电极区域10。
（7）采用电子束蒸发或磁控溅射等技术在p型和n型电极区域沉积金属多层薄膜，并剥离出p型金属电极13和n型金属电极12，最后对金属电极进行保护气氛退火处理，得到金刚石基氮化镓异质结二极管器件。所述步骤（7）中，金属电极材料包括钛/铂/金、钛/铝/金、铬/铂/金多层薄膜，多层膜电极厚度为1~10µm；保护气氛为氩气或氮气，退火温度为300~800 ℃。
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
本实施例提供了一种金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，其操作步骤如下：
（1）在研磨、抛光、清洗等预处理后的金刚石自支撑多晶膜衬底表面，采用微波等离子体化学气相沉积方法首先制备磷元素重掺杂n型金刚石膜，电子浓度为5×1017 cm-3，然后进行磷元素轻掺杂n型金刚石膜制备，电子浓度为2×1015 cm-3，从而得到厚度为5 µm的n型金刚石多层膜；最后对其进行精密抛光处理，抛光面表面粗糙度小于20 nm，如图1所示。
（2）通过等离子体增强化学气相沉积技术在抛光后的n型金刚石多层膜表面沉积单层氧化硅或氮化硅过渡介质层，厚度为~200 nm，如图2所示。
（3）对氧化硅或氮化硅过渡介质层进行常规光刻、显影、曝光、湿法腐蚀/干法刻蚀等工艺处理，露出n型金刚石层中间部分顶面，形成图形化的n型金刚石层台面，如图3所示。
（4）在露出的n型金刚石层表面采用金属有机化学气相沉积技术首先外延生长6 µm厚的本征氮化镓层，然后通过掺入镁元素外延生长厚度为~300 nm的p型氮化镓层，空穴浓度为5×1017 cm-3，腐蚀去除剩余的氧化硅或氮化硅过渡介质层，并刻蚀去除本征氮化镓层和p型氮化镓层台面侧壁的残留物形成光滑侧面，如图4所示。
（5）在p型氮化镓层表面首先采用等离子体增强化学气相沉积方法制备厚度为100nm的氮化硅介质保护层；然后采用微波等离子体化学气相沉积生长厚度为~400 nm的金刚石钝化层，甲烷与氢气流量比为1:200，生长温度为900 ℃；微波功率为6 KW，沉积时间2 h，如图5所示。
（6）通过常规光刻、显影、曝光、湿法腐蚀/等离子体刻蚀等工艺在p型氮化镓层和n型金刚石层上形成p型电极区域和n型电极区域，如图6所示。
（7）采用电子束蒸发技术在p型和n型电极区域分别沉积钛/铂/金多层金属薄膜，厚度为3 µm，并通过常规正胶剥离出p型金属电极和n型金属电极，在氮气保护气氛下对金属电极进行500 ℃合金化退火处理，得到金刚石基氮化镓异质结二极管器件，如图7所示。
实施例2：
本实施例提供了一种金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，其操作步骤如下：
（1）在研磨、抛光、清洗等预处理后的金刚石自支撑多晶膜衬底表面，采用微波等离子体化学气相沉积方法首先制备磷元素重掺杂n型金刚石膜，电子浓度为6×1017 cm-3，然后进行磷元素轻掺杂n型金刚石膜制备，电子浓度为5×1015 cm-3，从而得到厚度为5 µm的n型金刚石多层膜；最后对其进行精密抛光处理，抛光面表面粗糙度小于20 nm，如图1所示。
（2）通过等离子体增强化学气相沉积技术在抛光后的n型金刚石多层膜表面沉积单层氧化硅或氮化硅过渡介质层，厚度为350 nm，如图2所示。
（3）对氧化硅或氮化硅过渡介质层进行常规光刻、显影、曝光、湿法腐蚀/干法刻蚀等工艺处理，露出n型金刚石层中间部分顶面，形成图形化的n型金刚石层台面，如图3所示。
（4）在露出的n型金刚石层表面采用金属有机化学气相沉积技术首先外延生长6 µm厚的本征氮化镓层，然后通过掺入镁元素外延生长厚度为~400 nm的p型氮化镓层，空穴浓度为8×1017 cm-3，腐蚀去除剩余的氧化硅或氮化硅过渡介质层，并刻蚀去除本征氮化镓层和p型氮化镓层台面侧壁的残留物形成光滑侧面，如图4所示。
（5）在p型氮化镓层表面首先采用等离子体增强化学气相沉积方法制备厚度为150nm的氮化硅介质保护层；然后采用微波等离子体化学气相沉积生长厚度为~500 nm的金刚石钝化层，甲烷与氢气流量比为1:200，生长温度为900 ℃；微波功率为5 KW，沉积时间3 h，如图5所示。
（6）通过常规光刻、显影、曝光、湿法腐蚀/等离子体刻蚀等工艺在p型氮化镓层和n型金刚石层上形成p型电极区域和n型电极区域，如图6所示。
（7）采用电子束蒸发技术在p型和n型电极区域分别沉积钛/铂/金多层金属薄膜，厚度为3 µm，并通过常规正胶剥离出p型金属电极和n型金属电极，在氮气保护气氛下对金属电极进行550 ℃合金化退火处理，得到金刚石基氮化镓异质结二极管器件，如图7所示。
实施例3：
本实施例提供了一种金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，其操作步骤如下：
（1）在研磨、抛光、清洗等预处理后的金刚石单晶片衬底表面，采用微波等离子体化学气相沉积方法首先制备磷元素重掺杂n型金刚石膜，电子浓度为5×1017 cm-3，然后进行磷元素轻掺杂n型金刚石膜制备，电子浓度为2×1015 cm-3，从而得到厚度为5 µm的n型金刚石多层膜；最后对其进行精密抛光处理，抛光面表面粗糙度小于20 nm，如图1所示。
（2）通过等离子体增强化学气相沉积技术在抛光后的n型金刚石多层膜表面沉积单层氧化硅或氮化硅过渡介质层，厚度为300 nm，如图2所示。
（3）对氧化硅或氮化硅过渡介质层进行常规光刻、显影、曝光、湿法腐蚀/干法刻蚀等工艺处理，露出n型金刚石层中间部分顶面，形成图形化的n型金刚石层台面，如图3所示。
（4）在露出的n型金刚石层表面采用金属有机化学气相沉积技术首先外延生长6 µm厚的本征氮化镓层，然后通过掺入镁元素外延生长厚度为~500 nm的p型氮化镓层，空穴浓度为5×1017 cm-3，腐蚀去除剩余的氧化硅或氮化硅过渡介质层，并刻蚀去除本征氮化镓层和p型氮化镓层台面侧壁的残留物形成光滑侧面，如图4所示。
（5）在p型氮化镓层表面首先采用等离子体增强化学气相沉积方法制备厚度为150nm的氮化硅介质保护层；然后采用微波等离子体化学气相沉积生长厚度为~400 nm的金刚石钝化层，甲烷与氢气流量比为1:200，生长温度为900 ℃；微波功率为6 KW，沉积时间2 h，如图5所示。
（6）通过常规光刻、显影、曝光、湿法腐蚀/等离子体刻蚀等工艺在p型氮化镓层和n型金刚石层上形成p型电极区域和n型电极区域，如图6所示。
（7）采用电子束蒸发技术在p型和n型电极区域分别沉积钛/铂/金多层金属薄膜，厚度为3 µm，并通过常规正胶剥离出p型金属电极和n型金属电极，在氮气保护气氛下对金属电极进行500 ℃合金化退火处理，得到金刚石基氮化镓异质结二极管器件，如图7所示。
最后应说明的是，上述各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解：制备方法上实际可采用的方案很多，凡依照本发明的权利要求所做的等同修改或替换，其相应技术方案的本质均属于本发明的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，其特征在于包括下列步骤：在金刚石衬底表面自下而上依次外延生长重、轻掺杂的n型金刚石多层结构，并在多层结构上沉积过渡介质层；对过渡介质层依次进行光刻、显影、腐蚀或刻蚀工艺处理，形成图形化的n型金刚石层台面；接着在露出的n型金刚石层表面依次外延生长本征氮化镓层或量子阱层结构、p型氮化镓层、介质保护层和钝化层；最后通过光刻、显影、刻蚀、薄膜沉积工艺在p型氮化镓层和n型金刚石层上形成p型和n型金属电极，从而得到了n型金刚石-p型氮化镓结合的金刚石基氮化镓异质结二极管器件。
2.根据权利要求1所述的金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）在金刚石衬底表面自下而上依次进行元素重、轻掺杂或注入外延生长n型金刚石多层膜，并对其进行精密抛光处理；
（2）通过等离子体增强化学气相沉积、电子束蒸发、脉冲激光熔融中的一种技术，在抛光后的n型金刚石多层膜表面沉积过渡介质层；
（3）对过渡介质层进行常规光刻、显影、湿法腐蚀/干法刻蚀的工艺处理，形成图形化的n型金刚石层台面；
（4）在露出的n型金刚石层表面采用金属有机化学气相沉积技术依次外延生长本征氮化镓层或量子阱层结构、p型氮化镓层；
（5）去除剩余过渡介质层，在p型氮化镓层表面自下而上依次沉积介质保护层和金刚石钝化层；
（6）通过常规光刻、显影、湿法腐蚀/干法刻蚀工艺在p型氮化镓层和n型金刚石层上形成p型和n型电极区域；
（7）采用电子束蒸发或磁控溅射等技术在p型和n型电极区域沉积金属多层薄膜，并剥离出p型和n型金属电极，最后对金属电极进行保护气氛退火处理，得到金刚石基氮化镓异质结二极管器件。
3.根据权利要求2所述的金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，金刚石衬底包括金刚石自支撑多晶膜或金刚石单晶；所述重、轻掺杂n型金刚石多层膜包括n型或p型金刚石层，掺杂元素为磷或硼，载流子浓度为1015~1019 cm-3，制备方法包括微波等离子体化学气相沉积或热丝化学气相沉积。
4.根据权利要求2所述的金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，过渡介质层薄膜包括氧化硅、氮化硅、镍的单层或多层结构的刻蚀掩膜层，厚度为100~800 nm。
5.根据权利要求2所述的金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，过渡介质层腐蚀后露出n型金刚石层中间部分圆形或方形顶面。
6.根据权利要求2所述的金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中，本征氮化镓层厚度为5~20 µm，或量子阱层厚度为10~100 nm；所述p型氮化镓层包括p型或n型氮化镓，掺杂元素为镁或硅，厚度为200~800 nm，载流子浓度为1015~1021cm-3。
7.根据权利要求2所述的金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中，介质保护层包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或氮化铝薄膜，制备方法包括等离子体增强化学气相沉积、电子束蒸发、激光熔融蒸发或磁控溅射技术；金刚石钝化层制备方法包括微波等离子体化学气相沉积或热丝化学气相沉积技术；介质层保护厚度为50~500nm，金刚石层厚度为200~800 nm。
8.根据权利要求2所述的金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，其特征在于：所述步骤（7）中，金属电极材料包括钛/铂/金、钛/铝/金、铬/铂/金多层薄膜中的一种，多层膜电极厚度为1~10 µm；保护气氛为氩气或氮气，退火温度为300~800 ℃。
9.根据权利要求1所述的金刚石基氮化镓异质结二极管器件的制备方法，其特征在于：通过改变掺杂类型，能同时得到p型金刚石-n型氮化镓结合的金刚石基氮化镓异质结二极管。
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