CN117352543A - 一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片，其特征在于，包括从下至上依次层叠设置的Si衬底、AlGaN层和GaN层；GaN层的上表面设置欧姆阴极结构和肖特基阳极结构；肖特基阳极结构包括隔离层和石墨烯层，石墨烯层一端与隔离层电气连接，石墨烯层另一端与GaN层电气连接，石墨烯层、隔离层和GaN层之间保持相同电位。本发明提出的一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片，制备步骤简单，其接触界面具有更高的频率，更小的势垒不均匀性，表面平整度更好，闪烁噪声更低、热电子发射电流也更高，具有低闪烁噪声、高工作电流等优点。
Description
技术领域
本发明属于二极管器件技术领域，具体涉及一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片及其制备方法。
背景技术
肖特基二极管在半导体领域占有极其重要的地位，近年来由于工艺和材料等的进步，基于GaN异质结材料的肖特基二极管已经取得了较大的发展,氮化镓GaN作为第三代半导体材料的代表之一,GaN材料化学性质稳定、耐高温、抗腐蚀，在高频、大功率、抗辐射应用领域具有先天优势，不仅如此，GaN材料还具有临界击穿电场强,耐高温和饱和电子漂移速度高等优点,在电力电子领域有广泛的应用前景。
基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)在半导体领域已经取得广泛应用。该类器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高等特性，因此可以满足系统对半导体器件更大功率、更高频率、更小体积工作的要求。但其具有势垒不均匀性较高、频率较低、闪烁噪声较大和电流较低、制备复杂等缺陷。
发明内容
为了克服以上现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片，解决了势垒不均匀性高和频率低等问题。
本发明的另一目的在于提供一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片的制备方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片，包括从下至上依次层叠设置的Si衬底、AlGaN层和GaN层；所述GaN层的上表面设置欧姆阴极结构和肖特基阳极结构；所述肖特基阳极结构包括隔离层和石墨烯层，所述石墨烯层一端与所述隔离层电气连接，所述石墨烯层另一端与所述GaN层电气连接，所述石墨烯层、隔离层和所述GaN层保持相同电位。
优选的，所述AlGaN层的厚度为20～30nm。
优选的，所述GaN层的厚度为2～4μm。
优选的，所述石墨烯层长度为15-20μm。
优选的，所述欧姆阴极结构为在所述GaN层形成欧姆接触的第一金属电极，所述第一金属电极包括Cr、Ti、Al、Au、Ag、Pt中的一种或者两种以上。
优选的，所述第一金属电极的长度为8～10μm，厚度为30～35nm。
优选的，所述隔离层为在所述GaN上层形成具有隔离效果的第二电极，所述第二电极包括Cr、Au、Al2O3中的一种以上。
优选的，所述第二电极的长度为5～7μm，厚度为58～63nm。
优选的，所述第一金属电极和所述第二电极之间的间距为10～15μm。
一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片，具体步骤如下：
(1)、取外延高阻硅衬底，利用MOCVD设备在外延高阻衬底上生长AlGaN层和GaN外延层，得到外延片；
(2)、取Ti/Al/Ni/Au多金属层，利用电子束蒸镀沉积欧姆接触结构，然后在N2气氛下，在550-650℃℃中退火25-35s，得到形成欧姆接触的第一金属电极；
(3)、取Al2O3/Cr/Au层，通过光刻并利用电子束蒸镀制备肖特基接触，制备得到具有隔离效果的第二电极；
(4)、将机械剥离的石墨烯转移到所述GaN层上和所述第二电极直接接触，得到一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片。
本发明相对现有技术具有以下优点及有益效果：
本发明提出的一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片，制备步骤简单，其接触界面具有更高的频率，更小的势垒不均匀性，表面平整度更好，闪烁噪声更低、热电子发射电流也更高，具有低闪烁噪声、高工作电流等优点。
相较于传统的AlGaN/GaN整流芯片，N极性GaN/AlGaN异质结的电子不需要跨过AlGaN的势垒层，改变了电子的运动路径，具有更小的渡越时间，因而具有更高的频率；且将GaN置于表面，使得制备步骤更加简单。
其次剥离石墨烯作为电极具有更好的界面特性和更小的势垒不均匀性的同时具备更好的热稳定性，防止隧穿效应。
附图说明
图1为石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片结构示意图；
图2为衬底表面结构示意图；
图3为在衬底表面外延AlGaN层结构示意图；
图4为在AlGaN层表面外延GaN层结构示意图；
图5为在GaN势垒层表面垫积欧姆阴极结构的结构示意图；
图6为在GaN势垒层表面垫积隔离层的结构示意图；
图7为在GaN层和隔离层上转移石墨烯的结构示意图；
图8为常规AlGaN/GaN SBD整流芯片结构示意图；
图9为转移石墨烯的拉曼光谱图；
图10为石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片和Ni/GaN/AlGaN整流芯片IV曲线对比图；
附图中各部件的标记：
1-Si衬底、2-AlGaN层、3-GaN层、4-欧姆阴极结构、5-隔离层、6-石墨烯层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述,实施例不能在此一一赘述,但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片包括，Si衬底1、AlGaN层2、GaN层3、欧姆阴极结构4、肖特基阳极结构；肖特基阳极结构包括隔离层5和石墨烯层6。
从下到上依次为Si衬底1、AlGaN层2、GaN层3；隔离层5位于GaN层3上表面的左侧，欧姆阴极结构4位于GaN层3上表面的右侧，石墨烯层6位于隔离层5和GaN层3之上，与隔离层5和GaN层3电气连接，三者之间保持相同电位。
实施例1
本实施例的一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片的制备方法：
(1)、取厚度为500μm的外延高阻硅衬底，利用MOCVD设备在外延高阻衬底上生长AlGaN层和GaN外延层，得到外延片，所述AlGaN层厚度为25nm，GaN层厚度为2μm；
(2)、取3nmTi/6nmAl/6nmNi/15nmAu多金属层，利用电子束蒸镀沉积欧姆接触，然后在N2气氛和600℃下退火30s，制备得到形成欧姆接触的第一金属电极，第一金属电极的厚度为30nm；
(3)、取15nmAl2O3/10nmCr/33nmAu层，通过光刻并利用电子束蒸镀制备肖特基接触，制备得到具有隔离效果的第二电极，第二电极的厚度为58nm；
(4)、将机械剥离的石墨烯转移到GaN层上和第二电极直接接触，得到一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片。
实施例2
(1)、取厚度为500μm的外延高阻硅衬底，利用MOCVD设备在外延高阻衬底上生长AlGaN层和GaN外延层，得到外延片，所述AlGaN层厚度为20nm，GaN层厚度为3μm；
(2)、取3nmTi/6nmAl/6nmNi/17nmAu多金属层，利用电子束蒸镀沉积欧姆接触，然后在N2气氛和600℃下退火30s，制备得到欧姆接触的第一金属电极，第一金属电极的厚度为32nm；
(3)、取15nmAl2O3/10nmCr/35nmAu层，通过光刻并利用电子束蒸镀制备肖特基接触，制备得到具有隔离效果的第二电极，第二电极的厚度为60nm；
(4)、将机械剥离的石墨烯转移到GaN层上和第二电极直接接触，得到一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片。
实施例3
(1)、取厚度为500μm的外延高阻硅衬底，利用MOCVD设备在外延高阻衬底上生长AlGaN层和GaN外延层，得到外延片，所述AlGaN层厚度为30nm，GaN层厚度为4μm；
(2)、取3nmTi/6nmAl/6nmNi/20nmAu多金属层，在欧姆接触处利用电子束蒸镀沉积欧姆接触，然后在N2气氛和600℃下退火30s，制备得到欧姆接触的第一金属电极，第一金属电极的厚度为35nm；
(3)、取15nmAl2O3/12nmCr/35nmAu层，通过光刻并利用电子束蒸镀制备肖特基接触，制备得到具有隔离效果的第二电极，第二电极的厚度为62nm；
(4)、将机械剥离的石墨烯转移到GaN层上和第二电极直接接触，得到一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片。
图9为转移石墨烯的拉曼光谱图，由图9可知，在1580cm-1和2600cm-1附近有强的峰，与石墨烯的G和2D峰分别对应，说明了转移的石墨烯为高质量石墨烯；
图10为石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片和Ni/GaN/AlGaN整流芯片IV曲线对比图，由图10可知，石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片相对于Ni/GaN/AlGaN整流芯片，在正压下具有更高的电流；N极性GaN/AlGaN异质结的电子不需要跨过AlGaN的势垒层，改变了电子的运动路径，具有更小的渡越时间，剥离石墨烯作为电极改善了界面特性和势垒均匀性的同时，还具备更好的热稳定性；本发明所制备的石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片其接触界面具有更高的频率，更小的势垒不均匀性，表面平整度更好，闪烁噪声更低、热电子发射电流也更高，具有低闪烁噪声、高工作电流等优点。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片，其特征在于，包括从下至上依次层叠设置的Si衬底、AlGaN层和GaN层；所述GaN层的上表面设置欧姆阴极结构和肖特基阳极结构；所述肖特基阳极结构包括隔离层和石墨烯层，所述石墨烯层一端与所述隔离层电气连接，所述石墨烯层另一端与所述GaN层电气连接，所述石墨烯层、隔离层和所述GaN层之间保持相同电位。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片，其特征在于，所述AlGaN层的厚度为20～30nm。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片，其特征在于，所述GaN层的厚度为2～4μm。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片，其特征在于，所述石墨烯层长度为15-20μm。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片，其特征在于，所述欧姆阴极结构为在所述GaN层形成欧姆接触的第一金属电极，所述第一金属电极包括Cr、Ti、Al、Au、Ag、Pt中的一种或者两种以上。
6.根据权利要求5所述的一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片，其特征在于，所述第一金属电极的长度为8～10μm，厚度为30～35nm。
7.根据权利要求5所述的一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片，其特征在于，所述隔离层为在所述GaN上层形成具有隔离效果的第二电极，所述第二电极为Al2O3/Au、Al2O3/Cr或Al2O3/Cr/Au中的一种。
8.根据权利要求7所述的一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片，其特征在于，所述第二电极的长度为5～7μm，厚度为58～63nm。
9.根据权利要求7所述的一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片，其特征在于，所述第一金属电极和所述第二电极之间的间距为10～15μm。
10.权利要求1-9任意一项所述的一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)、取外延高阻硅衬底，利用MOCVD设备在外延高阻衬底上生长AlGaN层和GaN外延层，得到外延片；
(2)、取Ti/Al/Ni/Au多金属层，利用电子束蒸镀沉积欧姆接触结构，然后在N2气氛下，在550-650℃中退火25-35s，得到形成欧姆接触的第一金属电极；
(3)、取Al2O3/Cr/Au层，通过光刻并利用电子束蒸镀制备肖特基接触，制备得到具有隔离效果的第二电极；
(4)、将机械剥离的石墨烯转移到所述GaN层上和所述第二电极直接接触，得到一种石墨烯/GaN/AlGaN整流芯片。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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