CN117525121A - 一种基于ito欧姆接触的整流芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ITO欧姆接触的整流芯片及其制备方法；包括从下至上依次层叠设置的衬底、GaN层、AlGaN层、欧姆阴极结构/钝化层/肖特基阳极结构；所述欧姆阴极结构和肖特基阳极结构分别位于AlGaN层上表面两端；所述欧姆阴极结构为在AlGaN上表面依次沉积的ITO层和第一金属，该ITO层和第一金属之间进行电气连接，两者之间保持相同电位；所述肖特基阳极结构为在AlGaN上表面沉积的第二金属；所述钝化层沉积在AlGaN层上表面，并位于欧姆阴极结构和肖特基阳极结构之间。本发明采用ITO中间层结构能够改善AlGaN材料与金属电极之间的接触性能和稳定性，提高器件的性能和寿命。
Description
技术领域
本发明属于二极管器件技术领域，具体涉及一种基于ITO欧姆接触的整流芯片及其制备方法。
背景技术
第三代半导体器件的发展刻不容缓。
以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AIN)为代表的宽禁带半导体材料，被称为第三代半导体材料。与传统材料相比，第三代半导体材料更适合制造耐高温、耐高压、耐大电流的高频大功率器件，因此，其为基础制成的第三代半导体具备更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的导热率，以及更强的抗辐射能力等诸多优势，在高温、高频、强辐射等环境下被广泛应用。GaN是第三代宽禁带半导体的代表之一，正受到人们的广泛关注，其优越的性能主要表现在：高的临界击穿电场(～3.5×106V/cm)、高电子迁移率(～2000cm2/V·s)、高的二维电子气(2DEG)浓度(～1013cm-2)、高的高温工作能力。GaN材料的禁带宽度高达3.4eV，3倍于Si材料的禁带宽度，2.5倍于GaAs材料，半导体材料的本征载流子浓度随禁带宽度和温度的增加而呈指数增长，因此，在一定的温度范围内，其半导体材料禁带宽度越大，便拥有越小的本征载流子浓度，这可以使器件具有非常低的泄漏电流。另外，GaN(AlGaN)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。
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。然而，传统的GaN肖特基二极管的接触电阻较高、稳定性较差。
发明内容
针对上述常规GaN(AlGaN)SBD中存在的问题，本发明的目的是提出一种具有高接触性能和高稳定性的基于ITO欧姆接触的整流芯片及其制备方法。
本发明提供一种基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触、Ni/Au肖特基接触、Si3N4钝化层、AlGaN层、GaN层和衬底组成的整流芯片，具体电极结构是在AlGaN层上方依次沉积一层ITO透明导电膜层和Ti/Al/Ni/Au金属层，并且退火作为欧姆电极，然后在AlGaN层上方沉积Ni/Au金属层，作为肖特基电极。
本发明的技术方案如下：
一种基于ITO欧姆接触的整流芯片，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、GaN层2、AlGaN层3、欧姆阴极结构/钝化层7/肖特基阳极结构；所述欧姆阴极结构和肖特基阳极结构分别位于AlGaN层3上表面两端；所述欧姆阴极结构为在AlGaN层3上表面依次沉积的ITO层4和第一金属5，该ITO层4和第一金属5之间进行电气连接，两者之间保持相同电位；所述肖特基阳极结构为在AlGaN层3上表面沉积的第二金属6；所述钝化层7沉积在AlGaN层3上表面，并位于欧姆阴极结构和肖特基阳极结构之间。
进一步的，所述衬底1采用的材料为硅、蓝宝石，碳化硅和GaN中的一种。
进一步的，所述GaN层2厚度为2～4μm，AlGaN层3厚度为20～30nm。
进一步的，所述第一金属5为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5为Ti/Al/Ni/Au多金属层。
进一步的，所述第二金属6为Ni、Au中的一种或者两种。
优选的，所述第二金属6为Ni/Au双金属层。
进一步的，所述ITO层4直接沉积在AlGaN层3上表面。
进一步的，所述第一金属5直接沉积在ITO层4上表面。
进一步的，所述第二金属6直接沉积在AlGaN层3上表面。
进一步的，所述ITO层4长度为8～10μm，厚度为1～2nm；
进一步的，所述第一金属5长度为8～10μm，厚度为29～33nm。
进一步的，所述第二金属6长度为5～7μm，厚度为30～35nm。
进一步的，所述钝化层7为Si3N4；所述钝化层7长度为10～15μm，厚度为30～35nm。
进一步的，所述肖特基阳极右端和欧姆阴极左端之间的距离为10～15μm。
上述方案中，衬底1和GaN层2之间可以存在其他的材料。
上述的基于ITO欧姆接触的整流芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)在衬底1上依次MOCVD生长GaN层2和AlGaN层3；
(2)在AlGaN层3表面溅射沉积ITO层4；在ITO层4表面电子束蒸镀沉积第一金属5，然后退火；
(3)在AlGaN层3表面另一端光刻并利用电子束蒸镀沉积第二金属6；
(4)在AlGaN层3表面、第一金属5和第二金属6之间沉积钝化层7。
进一步的，步骤2所述退火在保护气氛中进行；所述退火的温度为700-900℃，时间为30-90s。
本发明的有益效果在于：
本发明提出的一种基于ITO欧姆接触的整流芯片，与传统的SBD整流芯片相比，由于ITO界面层可以减轻金属-半导体界面的费米级钉扎(FLP)效应，将ITO作为中间层可以大幅度降低比接触电阻率和比接通电阻；由于AlGaN材料表面易受污染，而ITO具有良好的氧化抗性和表面平整度，将ITO作为中间层可以有效地保护AlGaN材料表面免受污染和氧化，从而提高ITO与AlGaN的粘附性和接触质量，进而提高整个器件的性能；由于ITO材料也有较高的热稳定性，将ITO作为中间层可以加强金属电极与AlGaN之间的结合并提高整个器件的热稳定性。总之，采用ITO中间层结构能够在一定程度上改善AlGaN材料与金属电极之间的接触性能和稳定性，提高器件的性能和寿命。以上结果表明，ITO欧姆接触的整流芯片具有取代金属欧姆接触的整流芯片的潜在趋势。
附图说明
图1为本发明基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的整流芯片的结构示意图；
图2为本发明基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的整流芯片的制造工艺流程中，衬底表面结构示意图；
图3为本发明基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的整流芯片的制造工艺流程中，在衬底表面外延GaN层结构示意图；
图4为本发明基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的整流芯片的制造工艺流程中，在GaN层表面外延AlGaN层结构示意图；
图5为本发明基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的整流芯片的制造工艺流程中，在AlGaN势垒层表面沉积ITO的结构示意图；
图6为本发明基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的整流芯片的制造工艺流程中，在ITO势垒层表面沉积欧姆接触金属的结构示意图；
图7为本发明基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的整流芯片的制造工艺流程中，在AlGaN势垒层表面沉积肖特基接触金属的结构示意图；
图8为本发明基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的整流芯片的制造工艺流程中，在欧姆接触电极和肖特基接触电极之间沉积Si3N4的结构示意图；
图9为常规SBD整流芯片结构示意图；
图10为本发明实施例1的ITO/Ti/Al/Ni/Au电极整流芯片和Ti/Al/Ni/Au电极整流芯片的IV曲线对比图。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明，但本发明的实施方式不限于此。
本发明的整流芯片的结构如图1所示，本发明提出的是一种基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的整流芯片。在本发明提出的一种基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的整流芯片中，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、GaN层2、AlGaN层3、阴极结构4和5、阳极结构6、钝化层7；所述阴极结构和阳极结构分别位于器件两端；所述阴极结构是由在AlGaN上层形成欧姆接触的ITO 4和金属5构成，该ITO 4和金属5之间进行电气连接，保持相同电位；所述阳极结构由在AlGaN上层形成肖特基接触的金属6构成。
实施例1
本实施例的一种基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的整流芯片的制备方法：
(1)取厚度为500μm的外延高阻硅衬底1(图2)，利用MOCVD设备在外延高阻衬底1上生长GaN层2(图3)和AlGaN外延层3(图4)，得到外延片，所述GaN层2厚度为2μm，AlGaN层3厚度为25nm，并且进行台面隔离；
(2)在AlGaN层3上利用溅射沉积出ITO界面层4(图5)，ITO界面层4的厚度为1nm，在ITO界面层4上用电子束蒸镀沉积第一金属5(图6)，其结构为2nmTi/6nmAl/6nmNi/15nmAu多金属层，然后在N2气氛和800℃下退火60s，制备欧姆接触电极，欧姆接触电极的厚度为30nm，长度为8μm；
(3)在AlGaN层3上通过光刻并利用电子束蒸镀沉积第二金属6(图7)，其结构为10nmNi/20nmAu，制备肖特基接触电极，肖特基接触电极厚度为30nm，长度为5μm；
(4)在欧姆接触电极和肖特基接触电极之间沉积Si3N4钝化层7(图8)，Si3N4钝化层7的厚度为30nm，长度为10μm；
图9为常规SBD整流芯片结构示意图(不含ITO界面层4)；
基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的整流芯片和常规SBD整流芯片的IV曲线对比图如图10，可以看出，在正向偏压下，相对于Ti/Al/Ni/Au欧姆电极的整流芯片，ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆电极的整流芯片电流更大，开启电压更小，接触电阻也更小。
本发明提出的一种基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的整流芯片，与传统的SBD整流芯片相比，由于ITO界面层可以减轻金属-半导体界面的费米级钉扎(FLP)效应，将ITO作为中间层可以大幅度降低比接触电阻率和比接通电阻；由于AlGaN材料表面易受污染，而ITO具有良好的氧化抗性和表面平整度，将ITO作为中间层可以有效地保护AlGaN材料表面免受污染和氧化，从而提高ITO与AlGaN的粘附性和接触质量，进而提高整个器件的性能；由于ITO材料也有较高的热稳定性，将ITO作为中间层可以加强金属电极与AlGaN之间的结合并提高整个器件的热稳定性。总之，采用ITO中间层结构能够在一定程度上改善AlGaN材料与金属电极之间的接触性能和稳定性，提高器件的性能和寿命。
实施例2
本实施例的一种基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的整流芯片的制备方法：
(1)取厚度为500μm的外延高阻硅衬底1，利用MOCVD设备在外延高阻衬底1上生长GaN层2和AlGaN外延层3，得到外延片，所述GaN层2厚度为2μm，AlGaN层3厚度为25nm，并且进行台面隔离；
(2)在AlGaN层3上利用溅射沉积出ITO界面层4，ITO界面层4的厚度为1nm，在ITO界面层4上用电子束蒸镀沉积第一金属5，其结构为4nmTi/6nmAl/6nmNi/15nmAu多金属层，然后在N2气氛和800℃下退火60s，制备欧姆接触电极，欧姆接触电极的厚度为32nm，长度为9μm；
(3)在AlGaN层3上通过光刻并利用电子束蒸镀沉积第二金属6，其结构为10nmNi/22nmAu，制备肖特基接触电极，肖特基接触电极厚度为32nm，长度为6μm；
(4)在欧姆接触电极和肖特基接触电极之间沉积Si3N4钝化层7，Si3N4钝化层7的厚度为32nm，长度为11μm；
图9为常规SBD整流芯片结构示意图；
本发明提出的一种基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的整流芯片，与传统的SBD整流芯片相比，由于ITO界面层可以减轻金属-半导体界面的费米级钉扎(FLP)效应，将ITO作为中间层可以大幅度降低比接触电阻率和比接通电阻；由于AlGaN材料表面易受污染，而ITO具有良好的氧化抗性和表面平整度，将ITO作为中间层可以有效地保护AlGaN材料表面免受污染和氧化，从而提高ITO与AlGaN的粘附性和接触质量，进而提高整个器件的性能；由于ITO材料也有较高的热稳定性，将ITO作为中间层可以加强金属电极与AlGaN之间的结合并提高整个器件的热稳定性。总之，采用ITO中间层结构能够在一定程度上改善AlGaN材料与金属电极之间的接触性能和稳定性，提高器件的性能和寿命。
实施例3
本实施例的一种基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的整流芯片的制备方法：
(1)取厚度为500μm的外延高阻硅衬底1，利用MOCVD设备在外延高阻衬底1上生长GaN层2和AlGaN外延层3，得到外延片，所述GaN层2厚度为2μm，AlGaN层3厚度为25nm，并且进行台面隔离；
(2)在AlGaN层3上利用溅射沉积出ITO界面层4，ITO界面层4的厚度为1nm，在ITO界面层4上用电子束蒸镀沉积第一金属5，其结构为4nmTi/6nmAl/6nmNi/18nmAu多金属层，然后在N2气氛和800℃下退火60s，制备欧姆接触电极，欧姆接触电极的厚度为35nm，长度为10μm；
(3)在AlGaN层3上通过光刻并利用电子束蒸镀沉积第二金属6，其结构为10nmNi/25nmAu，制备肖特基接触电极，肖特基接触电极厚度为35nm，长度为7μm；
(4)在欧姆接触电极和肖特基接触电极之间沉积Si3N4钝化层7，Si3N4钝化层7的厚度为35nm，长度为12μm；
图9为常规SBD整流芯片结构示意图；
本发明提出的一种基于ITO/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的整流芯片，与传统的SBD整流芯片相比，由于ITO界面层可以减轻金属-半导体界面的费米级钉扎(FLP)效应，将ITO作为中间层可以大幅度降低比接触电阻率和比接通电阻；由于AlGaN材料表面易受污染，而ITO具有良好的氧化抗性和表面平整度，将ITO作为中间层可以有效地保护AlGaN材料表面免受污染和氧化，从而提高ITO与AlGaN的粘附性和接触质量，进而提高整个器件的性能；由于ITO材料也有较高的热稳定性，将ITO作为中间层可以加强金属电极与AlGaN之间的结合并提高整个器件的热稳定性。总之，采用ITO中间层结构能够在一定程度上改善AlGaN材料与金属电极之间的接触性能和稳定性，提高器件的性能和寿命。
以上描述仅是本发明较佳的具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于ITO欧姆接触的整流芯片，其特征在于，包括从下至上依次层叠设置的衬底(1)、GaN层(2)、AlGaN层(3)、欧姆阴极结构/钝化层(7)/肖特基阳极结构；所述欧姆阴极结构和肖特基阳极结构分别位于AlGaN层(3)上表面两端；所述欧姆阴极结构为在AlGaN层(3)上表面依次沉积的ITO层(4)和第一金属(5)，该ITO层(4)和第一金属(5)之间进行电气连接，两者之间保持相同电位；所述肖特基阳极结构为在AlGaN层(3)上表面沉积的第二金属(6)；所述钝化层(7)沉积在AlGaN层(3)上表面，并位于欧姆阴极结构和肖特基阳极结构之间。
2.根据权利要求1所述的基于ITO欧姆接触的整流芯片，其特征在于，所述AlGaN层(3)的厚度为20～30nm，GaN层(2)厚度为2～4μm；
所述钝化层(7)为Si3N4；所述钝化层(7)长度为10～15μm，厚度为30～35nm。
3.根据权利要求1所述的基于ITO欧姆接触的整流芯片，其特征在于，所述第一金属(5)为Cr、Ti、Al、Au、Ag、Pt中的一种或者两种以上。
4.根据权利要求3所述的基于ITO欧姆接触的整流芯片，其特征在于，所述第一金属(5)为Ti/Al/Ni/Au多金属层。
5.根据权利要求1所述的基于ITO欧姆接触的整流芯片，其特征在于，所述第二金属(6)为Ni、Au中的一种或者两种。
6.根据权利要求5所述的基于ITO欧姆接触的整流芯片，其特征在于，所述第二金属(6)为Ni/Au双金属层。
7.根据权利要求1所述的基于ITO欧姆接触的整流芯片，其特征在于，所述ITO层(4)直接沉积在AlGaN层(3)上表面；
所述第一金属(5)直接沉积在ITO层(4)上表面；
所述第二金属(6)直接沉积在AlGaN层(3)上表面。
8.根据权利要求1所述的基于ITO欧姆接触的整流芯片，其特征在于，所述ITO层(4)长度为8～10μm，厚度为1～2nm；
所述第一金属(5)长度为8～10μm，厚度为29～33nm；
所述第二金属(6)长度为5～7μm，厚度为30～35nm。
9.权利要求1-8任一项所述的基于ITO欧姆接触的整流芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在衬底(1)上依次MOCVD生长GaN层(2)和AlGaN层(3)；
(2)在AlGaN层(3)表面溅射沉积ITO层(4)；在ITO层(4)表面电子束蒸镀沉积第一金属(5)，然后退火；
(3)在AlGaN层(3)表面另一端光刻并利用电子束蒸镀沉积第二金属(6)；
(4)在AlGaN层(3)表面、第一金属(5)和第二金属(6)之间沉积钝化层(7)。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述退火在保护气氛中进行；所述退火的温度为700-900℃，时间为30-90s。
Priority Applications (1)
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| CN202311306865.6A CN117525121A (zh) | 2023-10-10 | 2023-10-10 | 一种基于ito欧姆接触的整流芯片及其制备方法 |
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