CN115410909A - 一种用宽禁带半导体改善氮化镓n面欧姆接触的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，提供了一种用宽禁带半导体改善氮化镓N面欧姆接触的方法，通过取GaN的单晶外延片，对单晶外延片进行清洁，通过在GaN单晶衬底上设置宽禁带半导体薄膜，以在GaN单晶衬底上形成宽禁带半导体层，再通过在宽禁带半导体层上设置金属膜，以在宽禁带半导体层上形成金属层，对已经形成有宽禁带半导体层和金属层的GaN单晶衬底进行退火处理，以获得改善后的欧姆接触，所以克服了现有金半接触技术不能满足GaN基器件的稳定性和可靠性需求的技术问题，进而达到了在宽禁带半导体薄膜掺入金属电极和氮化镓N面之间改善欧姆接触，实现接触界面的缺陷降低和热稳定性提高的技术效果。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种用宽禁带半导体改善氮化镓N面欧姆接触的方法。
背景技术
近年来随着GaN外延工艺的成熟，用MBE、MOCVD、HVPE等方法生成的GaN可用于实现良好性能表现的BJT、HBT、HEMT、MOSFET。传统上这些器件大多应用金属电极来输入或是输出电流，通过金属与半导体界面接触(以下简称金半接触)形成良好的欧姆接触来实现器件的电学性能的稳定传输。然而随着器件的小型化和功率密度提升的要求，在高耐压条件下，传统的金半接触技术已经不能很好保证GaN基器件的稳定性和可靠性。
综上所述，随着半导体器件小型化和功率密度不断提升的技术发展，现有金半接触技术不能满足GaN基器件的稳定性和可靠性需求。
发明内容
本发明的目的在于至少一定程度上解决现有技术中的不足，提供一种用宽禁带半导体改善氮化镓N面欧姆接触的方法，该方法采用宽禁带半导体薄膜掺入金属电极和氮化镓N面之间改善欧姆接触，实现接触界面的缺陷降低和热稳定性提高，在保持高的击穿电压的基础上弥补了GaN器件散热性能差的缺点。
一方面，本发明提供一种用宽禁带半导体改善氮化镓N面欧姆接触的方法，包括：
取GaN的单晶外延片，对所述单晶外延片进行清洁；
在GaN单晶衬底上设置宽禁带半导体薄膜，以在所述GaN单晶衬底上形成宽禁带半导体层；
在所述宽禁带半导体层上设置金属膜，以在所述宽禁带半导体层上形成金属层；
对已经形成有所述宽禁带半导体层和所述金属层的GaN单晶衬底进行退火处理，以获得改善后的欧姆接触。
优选地，对所述单晶外延片进行清洁，包括：
使用丙酮，按照设定脱油时间对所述单晶外延片进行脱油；
使用异丙醇，按照设定脱脂时间对所述单晶外延片进行脱脂；所述设定脱油时间小于所述设定脱脂时间。
优选地，所述设定脱油时间为5-10分钟，所述设定脱脂时间为5-10分钟。
优选地，在GaN单晶衬底上设置宽禁带半导体薄膜，包括：
采用半导体沉积工艺，在GaN单晶衬底上设置宽禁带半导体薄膜。
优选地，在所述宽禁带半导体层上设置金属膜，包括：
采用半导体蒸镀工艺，在所述宽禁带半导体层上设置金属膜。
优选地，对已经形成有所述宽禁带半导体层和所述金属层的GaN单晶衬底进行退火处理，包括：
将已经形成有所述宽禁带半导体层和所述金属层的GaN单晶衬底置于惰性气体氛围；
使用快速热退火工艺，在设定退火时间和设定退火温度下，对已经形成有所述宽禁带半导体层和所述金属层的GaN单晶衬底进行快速热退火处理。
优选地，所述惰性气体氛围为N2氛围，所述设定退火时间为30-60秒，所述设定退火温度为700-850℃。
优选地，所述宽禁带半导体为Al2O3或者所述宽禁带半导体为TiOx或者所述宽禁带半导体为Ga2O3。
改进地，采用原子层沉积技术，在GaN单晶衬底上设置宽禁带半导体薄膜；采用原子层沉积技术，在所述宽禁带半导体层上设置金属膜。
一方面，本发明提供一种GaN基器件，包括：GaN单晶衬底、宽禁带半导体层以及金属层；所述GaN单晶衬底、所述宽禁带半导体层以及所述金属层按照上述任一项所述的方法进行加工。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
因为本发明通过取GaN的单晶外延片，对单晶外延片进行清洁，通过在GaN单晶衬底上设置宽禁带半导体薄膜，以在GaN单晶衬底上形成宽禁带半导体层，再通过在宽禁带半导体层上设置金属膜，以在宽禁带半导体层上形成金属层，对已经形成有宽禁带半导体层和金属层的GaN单晶衬底进行退火处理，以获得改善后的欧姆接触，所以克服了现有金半接触技术不能满足GaN基器件的稳定性和可靠性需求的技术问题，进而达到了在宽禁带半导体薄膜掺入金属电极和氮化镓N面之间改善欧姆接触，实现接触界面的缺陷降低和热稳定性提高的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中用宽禁带半导体改善氮化镓N面欧姆接触的方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中欧姆接触工艺示意图；
图3是一种新型氮化镓N面欧姆接触的方法示意图。
在附图中，各附图标记表示：
1、GaN单晶衬底；
2、Al2O3薄膜层；
3、Ti层；
4、Al层；
5、Ni层；
6、Au层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的方法或具有相同或类似功能的方法。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，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。
请参阅图1-3，一方面，本发明实施例公开了一种用宽禁带半导体改善氮化镓N面欧姆接触的方法，该方法包括步骤S100、步骤S101、步骤S102以及步骤S103。
步骤S100为：取GaN的单晶外延片，对单晶外延片进行预清洁处理。
步骤S101为：在GaN单晶衬底上设置宽禁带半导体薄膜，以在GaN单晶衬底上形成宽禁带半导体层。
步骤S102为：在宽禁带半导体层上设置金属膜，以在宽禁带半导体层上形成金属层。
步骤S103为：对已经形成有宽禁带半导体层和金属层的GaN单晶衬底进行退火处理，以获得改善后的欧姆接触。
需要说明的是，步骤S100、步骤S101、步骤S102以及步骤S103仅仅示出实现本发明的一种先后时序关系和技术特征表述。本领域普通技术人员选择其他与本发明等同的时序关系和技术特征，同样属于本发明保护的范围。
在步骤S100中，取一片GaN的单晶外延片进行清洁处理，从而获取洁净的GaN单晶衬底。其中，GaN中文名称为氮化镓，作为第三代半导体，其具有较宽的能带间隙、高电子迁移率、高击穿电场和高电子饱和速率，理论上可以实现承受更高的击穿电压并在高温下稳定工作，可以广泛应用于紫外探测器、发光LED、DC-AC转换、大功率器件等领域。需要注意的是，因为单晶外延片是经过金属有机气相沉淀制备，在使用前进行清洁处理可以得到洁净的单晶外延片。优选地，清洁处理可以采用有机试剂，从而获得较好清洁效果，不损坏单晶外延片。
本发明一个实施例中，对单晶外延片进行清洁，优选包括如下步骤：
使用丙酮，按照设定脱油时间对单晶外延片进行脱油。
使用异丙醇，按照设定脱脂时间对单晶外延片进行脱脂；设定脱油时间小于设定脱脂时间。本优选实施例中，丙酮先进行脱油，异丙醇后进行脱脂，不仅能实现脱油脱脂的技术效果，而且异丙醇可以去除残留的丙酮，实现单晶外延片清洁无残留的技术效果。
其中，设定脱油时间可以设置为5-10分钟，设定脱脂时间可以设置为5-10分钟。
在步骤S101中，在GaN单晶衬底上设置宽禁带半导体薄膜，以在GaN单晶衬底上形成宽禁带半导体层。其中，宽禁带半导体属于第三代半导体。常见的宽禁带半导体为Al2O3，TiOx，Ga2O3。本发明优选Al2O3，即在GaN单晶衬底上设置Al2O3薄膜，以在GaN单晶衬底上形成Al2O3层。进一步地，Al2O3薄膜为纳米级厚度。
需要说明的是，传统Si基电力电子器件的电极接触常采用金属与硅衬底接触，但硅基器件工作温度上限在125-150℃之间，难以在高温和高压环境下正常工作。而氮化镓基电子器件可以在400-500℃以上的高温稳定运行，但是基于耐高温、高压和大功率工作场景和小型化集成的要求，氮化镓基电子器件还需要稳定性和均匀性更好的欧姆接触来改善GaN界面的电场分布，进而提升器件高温下的稳定性和可靠性。
还需要说明的是，氧化铝(Al2O3)是一种III-VI族宽禁带半导体材料，具有高化学稳定性、高导热系数、高击穿电场、与GaN有着有利的能带对齐，另外，通常情况下氧化铝薄膜为非晶态，其各向同性的结构能有效提高器件的稳定性，因此能提升GaN器件的稳定性，相比现有技术中的金半接触技术，改善了氮化镓N面欧姆接触。
本发明一个实施例中，在GaN单晶衬底上设置宽禁带半导体薄膜，包括：
采用半导体沉积工艺，在GaN单晶衬底上设置宽禁带半导体薄膜。在一个改进实施例中，采用原子层沉积技术，在GaN单晶衬底上设置宽禁带半导体薄膜。
需要说明的是，原子层沉积技术可以实现用纳米级厚度的Al2O3来调控氮化镓N面接触。相比传统的沉积工艺，原子层沉积技术因为其反应过程的自限性，在膜层的薄膜厚度的均匀性、厚度精准可控(以
量级上对沉积的薄膜的厚度进行精准的控制)、优良的界面质量、保形性好以及可以实现低温沉积等各方面都具有明显的优势，从而可以很好改善GaN的界面态，精准调控Al2O3薄膜的厚度，改善器件I-V特性，实现改善氮化镓N面欧姆接触的技术效果。其中，
是光波长度和分子直径的常用计量单位。
在步骤S102中，在宽禁带半导体层上设置金属膜，以在宽禁带半导体层上形成金属层。
需要说明的是，金属膜可以包括Ti层、Al层、Ni层和Au层，也可以包括Cr层、Al层、Ti层和Au层，还可以包括Ti层、Al层、Ti和层Au。
参见图3，本发明优选金属膜包括Ti层、Al层、Ni层和Au层。其中Ti层、Al层、Ni层和Au层依次堆叠。Ti层位于宽禁带半导体层上方，与宽禁带半导体层直接接触，宽禁带半导体层设置在GaN单晶衬底上。优选地，Ti层位于Al2O3薄膜层上方，与Al2O3薄膜直接接触，Al2O3薄膜层设置在GaN单晶衬底上。Ti\AL金属叠层是常用的用作氮化镓欧姆接触的结构，其后的Ni层可以替换为Ti层或者Cr层。本实施例中，Ni层可以替换为Ti、cr。
在一个优选示例中，参见图3，GaN单晶衬底的厚度可以设置为300μm，Al2O3薄膜层的厚度可以设置为0.5-2nm，Ti层厚度可以设置为25nm，Al层厚度可以设置为100nm，Ni层厚度可以设置为20nm，Au层厚度可以设置为60nm。需要注意的是，Al2O3薄膜层用0.5-2nm厚度，可以有效改善欧姆接触界面处的界面态，进而达到接触费米钉扎的效果。因为氧化铝的介电常数较高，如果氧化铝层过厚，其作用将大大降低。
本发明一个实施例中，在宽禁带半导体层上设置金属膜，优选包括：
采用半导体蒸镀工艺，在宽禁带半导体层上设置金属膜。在一个改进实施例中，采用原子层沉积技术，在宽禁带半导体层上设置金属膜。
需要说明的是，原子层沉积技术因为其反应过程的自限性，在膜层的薄膜厚度的均匀性、厚度精准可控(以
量级上对沉积的薄膜的厚度进行精准的控制)、优良的界面质量、保形性好以及可以实现低温沉积等各方面都具有明显的优势，从而可以很好改善GaN的界面态。
需要说明的是，本发明在金属电极和氮化镓N面之间掺入纳米级厚度的Al2O3薄膜进行欧姆接触改善。其中，Al2O3薄膜的掺入可解除GaN表面的费米钉扎，降低了势垒高度。通过原子层沉积技术可以精准调控金属膜的厚度，改善器件I-V特性。
在步骤S103中，对已经形成有宽禁带半导体层和金属层的GaN单晶衬底进行退火处理，以获得改善后的欧姆接触。其中，对已经形成有宽禁带半导体层和金属层的GaN单晶衬底进行快速退火热处理，优选包括：
将已经形成有宽禁带半导体层和金属层的GaN单晶衬底置于惰性气体氛围；
使用快速热退火工艺，在设定退火时间和设定退火温度下，对已经形成有宽禁带半导体层和金属层的GaN单晶衬底进行快速热退火处理。高温快速热退火工艺是形成良好欧姆接触的关键所在之一。
在一个优选示例中，惰性气体氛围为N2氛围，设定退火时间为30-60秒，设定退火温度为700-850℃。
一方面，本发明提供一种GaN基器件，包括：GaN单晶衬底、宽禁带半导体层以及金属层；GaN单晶衬底、宽禁带半导体层以及金属层按照上述任一项方法进行加工。
需要说明的是，本发明提供的GaN基器件，通过取GaN的单晶外延片，对单晶外延片进行清洁，通过在GaN单晶衬底上设置宽禁带半导体薄膜，以在GaN单晶衬底上形成宽禁带半导体层，再通过在宽禁带半导体层上设置金属膜，以在宽禁带半导体层上形成金属层，对已经形成有宽禁带半导体层和金属层的GaN单晶衬底进行退火处理，以获得改善后的欧姆接触，所以克服了现有金半接触技术不能满足GaN基器件的稳定性和可靠性需求的技术问题，进而达到了在宽禁带半导体薄膜掺入金属电极和氮化镓N面之间改善欧姆接触，实现接触界面的缺陷降低和热稳定性提高的技术效果。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的技术方案的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种用宽禁带半导体改善氮化镓N面欧姆接触的方法，其特征在于，包括：
取GaN的单晶外延片，对所述单晶外延片进行清洁；
在GaN单晶衬底上设置宽禁带半导体薄膜，以在所述GaN单晶衬底上形成宽禁带半导体层；
在所述宽禁带半导体层上设置金属膜，以在所述宽禁带半导体层上形成金属层；
对已经形成有所述宽禁带半导体层和所述金属层的GaN单晶衬底进行退火处理，以获得改善后的欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的用宽禁带半导体改善氮化镓N面欧姆接触的方法，其特征在于，对所述单晶外延片进行清洁，包括：
使用丙酮，按照设定脱油时间对所述单晶外延片进行脱油；
使用异丙醇，按照设定脱脂时间对所述单晶外延片进行脱脂；所述设定脱油时间小于所述设定脱脂时间。
3.根据权利要求2所述的用宽禁带半导体改善氮化镓N面欧姆接触的方法，其特征在于，所述设定脱油时间为5-10分钟，所述设定脱脂时间为5-10分钟。
4.根据权利要求1所述的用宽禁带半导体改善氮化镓N面欧姆接触的方法，其特征在于，在GaN单晶衬底上设置宽禁带半导体薄膜，包括：
采用半导体沉积工艺，在GaN单晶衬底上设置宽禁带半导体薄膜。
5.根据权利要求1所述的用宽禁带半导体改善氮化镓N面欧姆接触的方法，其特征在于，在所述宽禁带半导体层上设置金属膜，包括：
采用半导体蒸镀工艺，在所述宽禁带半导体层上设置金属膜。
6.根据权利要求1所述的用宽禁带半导体改善氮化镓N面欧姆接触的方法，其特征在于，对已经形成有所述宽禁带半导体层和所述金属层的GaN单晶衬底进行退火处理，包括：
将已经形成有所述宽禁带半导体层和所述金属层的GaN单晶衬底置于惰性气体氛围；
使用快速热退火工艺，在设定退火时间和设定退火温度下，对已经形成有所述宽禁带半导体层和所述金属层的GaN单晶衬底进行快速热退火处理。
7.根据权利要求6所述的用宽禁带半导体改善氮化镓N面欧姆接触的方法，其特征在于，所述惰性气体氛围为N2氛围，所述设定退火时间为30-60秒，所述设定退火温度为700-850℃。
8.根据权利要求1-7任一项所述的用宽禁带半导体改善氮化镓N面欧姆接触的方法，其特征在于，所述宽禁带半导体为Al2O3或者所述宽禁带半导体为TiOx或者所述宽禁带半导体为Ga2O3。
9.根据权利要求1-7任一项所述的用宽禁带半导体改善氮化镓N面欧姆接触的方法，其特征在于：采用原子层沉积技术，在GaN单晶衬底上设置宽禁带半导体薄膜；采用原子层沉积技术，在所述宽禁带半导体层上设置金属膜。
10.一种GaN基器件，其特征在于，包括：GaN单晶衬底、宽禁带半导体层以及金属层；所述GaN单晶衬底、所述宽禁带半导体层以及所述金属层按照权利要求1-9任一项所述的方法进行加工。
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