CN209266413U - 一种氧化镓半导体肖特基二极管 - Google Patents

Abstract

本实用新型的氧化镓半导体肖特基二极管，包括半导体层以及设置于半导体层两侧的阳极电极和阴极电极，阳极电极与半导体层为肖特基接触，阴极电极与半导体层为欧姆接触；其特征在于：所述半导体层为Ga₂O₃薄膜，阳极电极为SnO_x薄膜。本实用新型的氧化镓半导体肖特基二极管，半导体层采用宽带隙的Ga₂O₃金属氧化物半导体材料，与半导体层欧姆接触的阳极电极采用锡的氧化物SnO_x，形成了理想因子非常接近1、势垒高度为1.17eV左右、开关比超过10¹⁰的肖特基势垒二极管，所获取的肖特基二极管性能优良。

Description

一种氧化镓半导体肖特基二极管

技术领域

本实用新型涉及一种氧化镓半导体肖特基二极管，更具体的说，尤其涉及一种使用锡的氧化物（SnO_x）作为肖特基阳极的氧化镓半导体肖特基二极管。

背景技术

肖特基势垒二极管（Schottky barrier diodes, SBDs）作为半导体电路中的基本元器件，在射频识别标签，太阳能电池，放大器，光探测器和逻辑门等方面有很大的应用，高性能的肖特基二极管起着至关重要的作用。高性能的肖特基二极管同样可以用于大阵列电阻式随机存取存储器和相变存储器来减小寄生电流。氧化镓（Ga₂O₃）作为一种宽带隙金属氧化物半导体，凭借着4.5-4.9 eV的宽带隙以及6-8 MV/cm 的大的击穿场强等优点成为了电子和光电子学的研究热点。大尺寸高质量的Ga₂O₃单晶可以通过常规的低成本熔融法制备，如，导模法（edge-defined film-fed growth, EFG）、提拉法、区熔法。

目前，国内外对于Ga₂O₃ SBDs已有很多研究报道，但大多数采用惰性金属如金(Au)，铂(Pt)，钯(Pd)，镍(Ni)等作为肖特基阳极材料。如文献[Farzana, E., Zhang, Z.,Paul, P. K., Arehart, A. R., & Ringel, S. A. (2017). Influence of metalchoice on (010) β-Ga₂O₃ Schottky diode properties. Applied Physics Letters,110(20), 202102.]中用惰性金属Au, Pt, Pd, Ni作为肖特基阳极制备的β-Ga₂O₃ SBDs。该方法制备所得器件性能优良，其势垒高度可以达到1.27~1.71 eV，理想因子可以达到1.03~1.09。但是由于惰性金属材料稀缺，价格昂贵，所以此种方法具有很高的制备成本。另外，由于部分金属对O₂具有较高的化学亲和力，沉积单层金属在金属氧化物半导体表面可导致O从亚表面扩散，从而在金属/半导体界面处形成一个电子积累层，导致器件性能退化。为了避免这个问题，使用氧化金属，比如，氧化银、氧化铂、氧化铱等已经被广泛应用于氧化锌和铟镓锌氧SBDs的器件。文献[Allen, M. W., Mendelsberg, R. J., Reeves, R. J., &Durbin, S. M. (2009). Oxidized noble metal Schottky contacts to n-type ZnO.Applied Physics Letters, 94(10), 103508.]报道了使用氧化惰性金属作为肖特基阳极材料制备的ZnO SBDs，文献中采用氧化铱、氧化铂、氧化钯作为肖特基阳极电极，分别在Zn极性面和O极性面制备了SBDs。这些被氧化的惰性金属通过反应性侵蚀脉冲激光沉积法制备。所有制备的器件都具有高的性能，包括低的理想因子和高的势垒高度。这主要是由于低沉积能量对半导体表面造成了很小的损伤以及富氧环境减少了界面缺陷。对于Ga₂O₃, Müller et al.等人在文献[Müller, S., von Wenckstern, H., Schmidt, F., Splith,D., Schein, F. L., Frenzel, H., & Grundmann, M. (2015). Comparison ofSchottky contacts on β-gallium oxide thin films and bulk crystals. AppliedPhysics Express, 8(12), 121102.]报道了使用氧化铂作为肖特基接触在Ga₂O₃单晶和薄膜上制备了高性能SBDs，其势垒高度分别为1.94 和1.42 eV，理想因子分别为1.09和1.21。

如前所述，大多数关于Ga₂O₃ SBDs的报道都是使用惰性金属作为肖特基阳极，存在制备成本高、不利于工业化生产、器件性能退化等问题。只有极少数关于使用高成本氧化金属作为肖特基阳极的报道。本专利研发了使用锡的氧化物（SnO_x）作为肖特基阳极的技术，可同时实现高性能、低成本、以及大面积工业化生产。利用SnO_x作为肖特基阳极，我们制备了高性能的SBDs。

发明内容

本实用新型为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种使用溅射工艺制备SnO_x作为阳极材料的氧化镓半导体肖特基二极管。

本实用新型的氧化镓半导体肖特基二极管，包括半导体层以及设置于半导体层两侧的阳极电极和阴极电极，阳极电极与半导体层为肖特基接触，阴极电极与半导体层为欧姆接触；其特征在于：所述半导体层为Ga₂O₃薄膜，阳极电极为SnO_x薄膜。

本实用新型的氧化镓半导体肖特基二极管，所述Ga₂O₃薄膜为没有故意掺杂的Ga₂O₃或者掺杂Cr、Si、Ge、Sn、Ti、Zr和Hf中的1种及以上元素的Ga₂O₃，Ga₂O₃薄膜的晶形为α、β、γ、δ、ε中的任意一种，Ga₂O₃单晶在室温下的载流子浓度范围为1×10¹⁴ cm^-3至1×10¹⁸cm^-3。

本实用新型的氧化镓半导体肖特基二极管，作为半导体层的Ga₂O₃薄膜厚度为30～600μm。

本实用新型的氧化镓半导体肖特基二极管，作为阳极电极的SnO_x薄膜的厚度为20～200 nm。

本实用新型的氧化镓半导体肖特基二极管，所述阳极电极的外表面上设置有阳极金属触点层，阴极电极的外表面上设置有阴极金属触点层，阳极金属触点层、阴极电极、阴极金属触点层的材质分别为Ti、Ti、Au，其厚度范围均为10～500 nm。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的氧化镓半导体肖特基二极管，半导体层采用宽带隙的Ga₂O₃金属氧化物半导体材料，与半导体层欧姆接触的阳极电极采用锡的氧化物SnO_x，形成了理想因子非常接近1、势垒高度为1.17eV左右、开关比超过10¹⁰的肖特基势垒二极管，所获取的肖特基二极管性能优良。

本实用新型的氧化镓半导体肖特基二极管的优点体现在：

（1）、本实用新型所述肖特基阳极电极为反应溅射的SnO_x薄膜，主要有两方面的作用：一方面，在沉积SnO_x的初始阶段利用通入的氧气去除了氢氧根诱导的高导电表面积聚层，确保肖特基势垒附近的半导体中的富氧环境降低了缺氧相关缺陷的水平；另一方面，SnO作为SnO_x薄膜的主要成分，其主要缺陷态为锡空位，并且锡空位产生的氧的悬挂键可以有效的补偿Ga₂O₃中的氧空位，降低界面态密度，改善了整流接触特性。

（2）、本实用新型使用的肖特基接触电极为SnO_x薄膜，金属Sn具有含量丰富、价格低廉、对人体及环境友好等优势。

（3）、本实用新型所述氧化物半导体层为Ga₂O₃单晶，可以通过常规的低成本熔融法制备，如，导模法、提拉法、区熔法，可制备大面积高质量的单晶。

（4）、本实用新型所述氧化物半导体层为机械剥离或机械切割的Ga₂O₃薄片，利用机械剥离或机械切割方法具有容易制备、低表面损伤、超平滑的晶体表面等优势。

（5）、本实用新型采用垂直结构，制备工艺简单、稳定、重复性好，适合工业化推广；

（6）、本实用新型采用欧姆接触优化处理工艺，在沉积欧姆接触金属层之前，首先用ICP或oxygen plasma刻蚀氧化物半导体表面，使其有利于形成欧姆接触，沉积欧姆接触金属之后，对其进行快速热退火处理。

（7）、本实用新型制备的利用SnO_x作为肖特基接触电极的基于β-Ga₂O₃的SBDs器件性能良好，理想因子为1.02非常接近理想值1。势垒高度为1.17 eV，开关比超过10¹⁰。

附图说明

图1为本实用新型的氧化镓半导体肖特基二极管的结构示意图；图中：1阴极金属触点层，2阴极电极，3半导体层，4阳极电极，5阳极金属触点层。

图2为本实用新型的实施例所制备的肖特基二极管中肖特基接触截面的扫描电子显微镜图（scanning electron microscope, SEM）；

图3为本实用新型的氧化镓半导体肖特基二极管中SnO_x薄膜的X射线光电子能谱图（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）；

图4为本实用新型的SnO_x/β-Ga₂O₃ SBDs的半对数和线性坐标下的电流密度-电压（J-V）特性曲线；

图5为本实用新型的SnO_x/β-Ga₂O₃ SBDs的电容-电压（C-V）特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，给出了本实用新型的氧化镓半导体肖特基二极管的结构示意图，其由半导体层3、阳极电极4、阳极金属触点层5、阴极电极2、阴极金属触点层1组成，阳极电极4、阴极电极2分别设置于半导体层的两个表面上，并分别与半导体层形成肖特基接触和欧姆接触。半导体层3采用从Ga₂O₃晶体上取下的厚度为30～600μm 的Ga₂O₃薄片，阳极电极4采用厚度为20～200 nm的锡的氧化物SnO_x薄膜，从而形成了性能优良的Ga₂O₃半导体肖特基二极管。阳极电极4的外表面上设置有阳极金属触点层5，在阳极金属触点层5对阳极电极4的覆盖作用下，既避免了器件测试过程中探针对SnO_x薄膜阳极电极的破坏，也有利于形成器件时阳极电极4的引出。阴极电极2的外表面上覆盖有阴极金属触点层1，同样地，阴极金属触点层1也实现对阴极电极2的保护作用。

Ga₂O₃薄片可采用没有故意掺杂的Ga₂O₃或者掺杂Si、Ge、Sn、Ti、Zr和Hf中的1种及以上元素的Ga₂O₃，Ga₂O₃薄膜的晶形为α、β、γ、δ、ε中的任意一种，就器件稳定性的方面而言，优选为β-Ga₂O₃。Ga₂O₃晶体在室温下的载流子浓度范围为1×10¹⁴ cm^-3至1×10¹⁸ cm^-3。阳极金属触点层、阴极电极、阴极金属触点层的可分别采用材质为Ti、Ti、Au的金属，其厚度范围均为10～500 nm。

下面给出以铬Cr掺杂的β-Ga₂O₃单晶薄膜为半导体层、SnO_x薄膜为阳极电极的氧化镓半导体肖特基二极管的制作方法，具体通过以下步骤来实现：

1)、铬掺杂的β-Ga₂O₃单晶通过EFG方法生长，然后利用机械剥离法制备了厚度为220 μm，面积为 2 mm × 10 mm的（100）方向的Ga₂O₃薄片。

2)、对机械剥离得到的（100）方向的β-Ga₂O₃衬底进行清洗：首先将其置于超声清洗机中依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗，去除有机污物；然后将其置于HF:H₂O=1：9的溶液中腐蚀2 min，用去离子水冲洗；最后将其浸泡在85 ℃的双氧水中5 min，用去离子水冲洗；在每一步去离子水冲洗过后都需要用氮气吹干。

3)、将清洗好的β-Ga₂O₃衬底一面朝上，该朝上面记为正面，利用电感耦合等离子体(Inductively coupled plasma, ICP) 技术，使用BCl₃和Ar混合气进行刻蚀，使Ga₂O₃衬底正面更容易形成欧姆接触。

4)、将刻蚀好的β-Ga₂O₃衬底放入电子束蒸发腔室中在其正面依次蒸发金属Ti、Au，其中Ti厚度为40 nm，Au厚度为20 nm。

5)、退火，在氮气环境中进行350 ℃的快速热退火60 s，以减小欧姆接触电阻。

6)、将制备好阴极电极的β-Ga₂O₃衬底放入磁控溅射腔室中，在其反面溅射沉积SnO_x薄膜，具体是指在功率为50 W、氧分压（氧气/（氧气+氩气））为1.5% ~ 13.1%，气体流量为26 sccm条件下，利用掩膜版来定义肖特基电极的图案；所述衬底正面设有磁铁，掩膜板通过所述磁铁吸附在所述衬底反面。溅射沉积的SnO_x厚度为50 nm。

7)、将制备好肖特基接触电极的样品放入电子束蒸发腔室中，在SnO_x薄膜上蒸发金属Ti作为保护层。

如图2所示，给出了本实用新型的实施例所制备的肖特基二极管中肖特基接触截面的SEM图，可见作为阳极电极的锡的氧化物SnO_x薄膜与作为半导体层的Ga₂O₃薄片之间具有良好的接触，肖特基接触性能良好。如图3所示，给出了本实用新型的氧化镓半导体肖特基二极管中SnO_x薄膜的XPS图，采用与步骤6)相同的方法在设置有SiO₂层的Si衬底上制备锡的氧化物SnO_x薄膜，对其进行XPS测试，所获取的数据如图3所示，可见可见SnO_x薄膜含有Sn,SnO, SnO₂三种组分，其中SnO占主导成分。

如图4所示，给出了本实用新型的SnO_x/β-Ga₂O₃ SBDs的半对数和线性坐标下的J-V特性曲线，图5给出了本实用新型的SnO_x/β-Ga₂O₃ SBDs的C-V特性曲线，可见所制备的氧化镓半导体肖特基二极管，理想因子为1.02非常接近1、势垒高度为1.17eV左右、开关比超过10¹⁰，所获取的肖特基二极管性能优良。

Claims (5)

1.一种氧化镓半导体肖特基二极管，包括半导体层以及设置于半导体层两侧的阳极电极和阴极电极，阳极电极与半导体层为肖特基接触，阴极电极与半导体层为欧姆接触；其特征在于：所述半导体层为Ga₂O₃薄膜，阳极电极为SnO_x薄膜。

2.根据权利要求1所述的氧化镓半导体肖特基二极管，其特征在于：所述Ga₂O₃薄膜为没有故意掺杂的Ga₂O₃或者掺杂Cr、Si、Ge、Sn、Ti、Zr和Hf中的1种及以上元素的Ga₂O₃，Ga₂O₃薄膜的晶形为α、β、γ、δ、ε中的任意一种，Ga₂O₃单晶在室温下的载流子浓度范围为1×10¹⁴ cm^-3至1×10¹⁸ cm^-3。

3.根据权利要求1或2所述的氧化镓半导体肖特基二极管，其特征在于：作为半导体层的Ga₂O₃薄膜厚度为30～600μm。

4.根据权利要求1或2所述的氧化镓半导体肖特基二极管，其特征在于：作为阳极电极的SnO_x薄膜的厚度为20～200 nm。

5.根据权利要求1或2所述的氧化镓半导体肖特基二极管，其特征在于：所述阳极电极的外表面上设置有阳极金属触点层，阴极电极的外表面上设置有阴极金属触点层，阳极金属触点层、阴极电极、阴极金属触点层的材质分别为Ti、Ti、Au，其厚度范围均为10～500nm。